Elektrické měřicí přístroje – II. dílZrcátkový galvanometr s otáčivou cívkou: V 1. díle tohoto diafilmu jsme poznali princip deprézského měřidla. Při mnohých měřeních v laboratoři jde o to, abychom co nejvíce vystupňovali citlivost přístroje pro měření nejmenších proudů a napětí. Vhodný je citlivý galvanometr. Jak je zvýšena jeho citlivost? Cívečka není uložena v ložiskách ani není do ní přiváděn dvěma pružinami měřený proud, nýbrž je zavěšena na dlouhém kovovém vláknu nebo na tenkém kovovém pásku. Odpadá tedy tření v ložiskách a překonávání síly pružiny. Je samozřejmé, že dlouhá ručka měřidla by umožňovala lepší odečítání hodnot na stupnici, ale zatěžovala by svou váhou cívečku. Proto je u zrcátkového galvanometru ručka nahrazena světelným paprskem. Ze zdroje se usměrní paprsek na malé zrcátko upevněné nad cívečkou a odtud se odráží na vzdálenou stupnici. Na levém obrázku vidíme schematický náčrt hlavních součástek galvanometru. Je to magnet s póly N a S, v jehož magnetickém poli je jednak váleček V z měkké oceli, jednak cívečka. Měřený proud se přivádí jedním pólem buď přímo na svorku S′, nebo přes ochranný odpor R. Nad cívečkou je zrcátko Z. Na pravém obrázku je fotografie měřidla.+28Galvanometr DGrz: Z našich středně citlivých galvanometrů je velmi rozšířený výrobek n. p. METRA tovární značky DGrz. Lze na něm odečítat na stupnici s ručkou i pomocí světelné stopy na vzdálené stupnici. Citlivost u těchto galvanometrů se udává velikostí proudu, který pootočí světelnou značkou na stupnici vzdálené jeden metr o 1 milimetr. Citlivost tohoto galvanometru je asi 1 · 10⁻⁶ ampéru na milimetrový posun na vzdálenost 1 m. Vlevo je detail zrcátka odrážejícího paprsek, které na fotografii přístroje není zřetelně vidět.Galvanometr GNT: Nejvyšší citlivosti z našich výrobků dosahují galvanometry GNT. Dosahují citlivosti až 1000krát větší než předcházející galvanometr, tedy až 1 · 10⁻⁹ ampéru na milimetrový posun značky na vzdálenost 1 m. Vlevo na obrázku je ovládací skříňka s přepínačem citlivosti měřidla.Zrcátkový galvanometr s pevnou cívkou a pohyblivou magnetkou: Princip galvanometru lze také obrátit: cívka je pevná a do její dutiny vložíme magnetku. Citlivost přístroje se značně zvýší, použijeme-li astatické magnetky, složené ze dvou pokud možno stejných magnetek pevně navzájem spojených tak, že nad sebou jsou nesouhlasné póly. Magnetky se zavěsí na tenké vlákno opatřené zrcátkem. Vinutí cívky je těsně u spodní magnetky. Touto úpravou se značně zmenší účinek zemského magnetického pole. Na obrázku vlevo je schematický náčrt tohoto galvanometru, vpravo jeho provedení.Tlumení systému: U galvanometrů je kromě jejich citlivosti velmi závažné jejich tlumení. Jak se projevuje různé tlumení měrného systému? Představte si, že měříte galvanometrem jistou hodnotu. Ručka může měřené hodnoty dosáhnout různým způsobem. Na levém obrázku je časové rozvinutí pohybu ručky u málo tlumeného systému. Vidíte, že ručka dlouho kývá kolem naměřené hodnoty, než se ustálí. U druhého obrázku je zakreslen pohyb ručky u systému příliš tlumeného: trvá také velmi dlouho, než ručka dosáhne naměřené hodnoty. Nejrychleji probíhá měření při tzv. kritickém tlumení, kdy ručka rychle dosáhne měřené hodnoty, mírně ji přeskočí a hned se na ní ustálí. Je propočteno, že u takto tlumeného systému můžeme nejrychleji odečíst naměřenou hodnotu.Balistický galvanometr: Zvláštní význam má galvanometr s dlouhou dobou kyvu. Zveme ho balistický galvanometr. Doba kyvu bývá u jeho systému 10 až 300 sekund. A k čemu se ho používá? Vybijeme-li např. náboj kondenzátoru přes balistický galvanometr, můžeme z velikosti výchylky a z původního napětí na kondenzátoru zjistit jeho kapacitu. Náboj kondenzátoru vybitý za kratičkou dobu přes balistický galvanometr dá totiž určitý impuls cívce, která se setrvačností po skončení impulsu pohybuje na určitou maximální výchylku. Ta je úměrná velikosti vybitého elektrického množství, a tedy i velikosti kapacity kondenzátoru. Na obrázku je schéma postupu měření. Přepnutím přepínače do polohy A nabijeme kondenzátor napětím měřené velikosti. V poloze B přepínače se náboj kondenzátoru vybije přes balistický galvanometr.Změna doby kyvu systému: Jistě vás napadá otázka, jak je možné konstrukcí galvanometru ovlivnit tlumení systému a dobu kyvu. U doby kyvu je to snadné: zvětší se moment setrvačnosti systému. Na prvním obrázku je cívečka normálního galvanometru s krátkou dobou kyvu, na druhém a třetím s dlouhou dobou kyvu. Je toho dosaženo zvětšením momentu setrvačnosti zvětšením rámečku nebo přidáním závažíček.Změna tlumení systému: Nyní budeme sledovat, čím lze ovlivnit při konstrukci galvanometru tlumení systému. Cívka měřidla je vinuta na kovovém (obvykle hliníkovém) rámečku. Při jejím pohybu v magnetickém poli protíná cívečka magnetické indukční čáry, a proto v ní vzniká proud, který podle Lencova pravidla působí proti změně, která jej vyvolala – pohyb cívečky je proto tlumený. Tlumení se podstatně zmenší, je-li rámeček v jednom místě přerušen, jak to vidíme na obr. b/. Pohyb cívečky je pak netlumený. Přechodné hodnoty tlumení dosáhneme podle obr. c/ tím, že přerušené místo spojíme odporovým drátem takového průměru, že dosáhneme tlumení v požadované hodnotě. Avšak také v závitech drátu vzniká napětí při pohybu cívky, které podle Lencova pravidla může tlumit tehdy, je-li ve vnějším obvodu zkratováno. Toho využíváme při měření k rychlému utlumení kývajícího se systému v nulové poloze: sepneme-li vedení do krátka, kývající systém se rázem utlumí.Elektrostatický voltmetr: Všimneme si dalších konstrukcí měrných systémů. Elektrostatický voltmetr je založen na známém jevu, že se desky kondenzátoru, jsou-li nabity opačnými elektrickými náboji, přitahují. Provede-li se jedna soustava desek otáčivě a připevní-li se k ní ručka, dostaneme elektrostatický voltmetr. Největší výhodou elektrostatických voltmetrů je, že toto měřidlo nemá spotřebu elektrické energie, a tedy zdroj nezatíží. To je důležité např. při měření na tzv. měkkých zdrojích, jimiž jsou např. ve školách používané indukční elektriky. Měřidla lze použít pro oba druhy napětí, ale při vysokých kmitočtech se uplatňují kapacitní ztráty v měřidle. Na levém obrázku je jeho schéma, na pravém provedení. V pravém dolním rohu je značka tohoto měřidla.Tepelný ampérmetr: Tepelný ampérmetr ztrácí v poslední době svůj význam. Má totiž řadu nedostatků. Jeho největší výhodou je, že nemá cívku, přímý drát má malou indukčnost, a proto jsou při měření proudu o vysoké frekvenci v měřidle malé ztráty. Na levém obrázku je schéma provedení: 1 je vodič, kterým prochází měřený proud. 2 je pružina, která přes systém vláken napíná stále vodič. Vlákno 3 pohybuje ručkou. Na pravém obrázku je náčrt tohoto měrného systému a pod ním je jeho značka.Měřidlo s usměrňovačem: V 1. dílu tohoto diafilmu bylo uvedeno, jak lze deprézské měřidlo uzpůsobit k měření střídavého proudu. Tam jsme poznali nejjednodušší připojení usměrňovače. Výhodnější je použít čtyř usměrňovačů v Graetzově spojení, které vidíte na obrázku. Toto zapojení usměrňuje obě půlvlny střídavého proudu. Směry proudu jsou vyznačeny šipkami, a to cesta první půlvlny plnými čarami, cesta druhé půlvlny čárkovaně. Obě půlvlny se dostávají na svorky měřidla v témž směru. Stupnice deprézského měřidla při měření stejnosměrného a střídavého proudu není totožná. Na pravém obrázku je kuproxový čtyřčlánkový usměrňovač vhodný pro měřidlo. Dole je v kruhu značka měřidla s usměrňovačem. Měřidlem s usměrňovačem lze měřit střídavé proudy, ale jen nízké (akustické) frekvence. Při vysoké frekvenci jsou v něm značné ztráty.Měřidlo s termoelektrickým článkem: Střídavý elektrický proud vysoké frekvence se výhodně měří na deprézském měřidle s termoelektrickým měničem. Termoelektrickým měničem je známý termoelektrický článek. Obvykle se používá dvojice konstantan – železo. Jestliže se spojené konce obou kovů zahřejí, vznikne na nich termoelektrické napětí, jež lze měřit stejnosměrným milivoltmetrem. Svařené vodiče se zahřejí u termoelektrických měničů měřidel odporovým drátem, který vyhříváme měřeným střídavým proudem. Tak můžeme měřit vysokofrekvenční proudy řádu až sta megahertzů. Nevýhodou tohoto měniče je velká citlivost na přetížení. V pravém dolním rohu je značka měřidla s termoelektrickým měničem.Elektrodynamický systém: Jsou také měřidla, ve kterých se magnetické pole magnetu nahrazuje magnetickým polem cívky. Hovoříme o elektrodynamickém systému, který je na obrázku. V magnetickém poli pevné cívky C₁ je otáčivá cívka C₂ spojená s ručkou. Elektrodynamickým systémem mohli bychom měřit oba druhy proudu a napětí, ale pro tento účel se ho nepoužívá, neboť cívkou nelze dosáhnout té intenzity magnetického pole, jakou poskytuje permanentní magnet. Elektrodynamický systém je velmi vhodný pro měření elektrického výkonu, tedy jako wattmetr. Pro měření výkonu je rozhodující napětí i proud. Napěťová cívka je z mnoha závitů tenkého drátu, proudová cívka z drátu o velkém průměru. Je vhodnější konstruovat napěťovou cívku jako otáčivou a proudovou jako pevnou. Značka elektrodynamického systému je uvedena vpravo dole.Wattmetr: Na obrázku je laboratorní wattmetr s přepínatelnými rozsahy napěťovým i proudovým. Prohlédněte si jeho správné připojení do obvodu při měření. Mezi středními svorkami je napěťová cívka, mezi krajními proudová.Přehled značek na měřidlech: Tím jsme probrali všechny hlavní měrné systémy ručkových přístrojů. Na jejich závěr uvedeme v přehledu všechny smluvené značky uváděné na měřidle. Určete jejich význam. (1. řádek: měrný systém elektromagnetický, elektrostatický, magnetoelektrický s otočnou cívkou, magnetoelektrický s otočnou cívkou a usměrňovačem, magnetoelektrický s otočnou cívkou a termoelektrickým měničem, tepelný, elektrodynamický. 2. řádek: značí chybu v procentech celkové výchylky. 3. řádek: svislá, vodorovná. 4. řádek: 500 V, 1000 V, 2000 V.)Tvary přístrojů panelových: Nyní si všimneme vnějšího tvaru a provedení měřidel. Zde jsou přístroje panelové, kruhový, čtvercový a profilový.Tvary přístrojů laboratorních: Přesné laboratorní přístroje jsou obvykle v dřevěných pouzdrech. Vlevo je laboratorní voltampérmetr, vpravo mnohoúčelové laboratorní měřidlo UNIMET.Přístroje s výchylkou 240°: Zvláštním tvarem pólových nástavců lze dosáhnout u deprézského měřidla výchylky ručky až 240°. Je to výhodné, protože dlouhá stupnice umožňuje přesnější a přehlednější odečítání měřených hodnot.Klešťový ampérmetr: Zajímavá je konstrukce klešťového ampérmetru pro měření střídavého proudu. Vidíte ho na obrázku. Nad měřidlem je klešťové jádro. Sevřením jeho částí uzavřeme vodič do dutiny jádra. Vzniká transformátor. Jedním jeho „vinutím“ je sevřený drát, z druhého vinutí, které je u kořene čelistí, jde proud do měřidla. Měřidlo je cejchováno podle velikosti primárního proudu a jen pro proud 50 hertzů. Největší výhodou klešťového ampérmetru je, že jím měříme proud, aniž je třeba obvod rozpojovat. To je velmi vhodné při měření v elektrovodné síti.Zapisovací měřidlo: Tam, kde je nutno stále zapisovat průběh elektrických veličin používá se zapisovacích měřidel. Jejich princip je naznačen na levém obrázku. Na konci ručky měřidla je nádobka s nevysychavým inkoustem, jehož psací hrot zvolna zapisuje na svisle se posunujícím pruhu papíru. Vzniká tím graf. Na pravém obrázku je fotografie tohoto měřidla.Stupnice AVOMETu: Protože ve školní laboratoři i v praxi se nejčastěji sejdeme s měřením na AVOMETu, uvádíme jeho stupnici. Stejnosměrná stupnice má rovnoměrné dělení, je to druhá stupnice shora. Střídavá stupnice má dělení nerovnoměrné, na počátku stupnice jsou dílky menší. Protože malé hodnoty nelze přesně odečítat, výrobce je neuvádí. Druh stupnice je uveden u jejího pravého kraje, kde vidíme značky střídavého a stejnosměrného proudu. Na měřidle je ještě třetí stupnice, platná jen pro rozsah 1,2 V střídavých. Každé laboratorní měřidlo má výřez ve stupnici, pod kterým je zrcátko. Toto zařízení zmenšuje možnost chyby odečtení.Kmitoměr: Nyní si všimneme některých měřidel, která nemají ručku. V elektrárnách je častým přístrojem kmitoměr. Jeho hlavní součástí je řada jazýčků takové délky, že jejich vlastní kmitočet jde postupně od 45 do 55 hertzů. Na našem schematickém obrázku je jazýček J s kotvou K. Pod pružinami je elektromagnet E, do kterého vedeme střídavý proud, jehož kmitočet měříme. Ze všech jazýčků se rozechvěje vynucenými kmity ten, jehož vlastní kmitočet se shoduje s kmitočtem elektrických kmitů přiváděného proudu. Jazýček má zakončení O, jehož chvění vidíme v okénku. Na pravém obrázku je fotografie kmitoměru.Schéma jednofázového elektroměru: Dalším měřidlem bez ručky je elektroměr. Jednofázový elektroměr, který vidíte na obrázku, je malý asynchronní motor, jehož rotor má podobu hliníkového kotouče. Točivé magnetické pole není tvořeno po celém jeho obvodu, nýbrž jen dvěma elektromagnety. Proudy jsou v nich fázově posunuty, a proto tvoří točivé magnetické pole. Otáčivý moment působící na kotvu je úměrný výkonu střídavého proudu a počet otáček kotvy je úměrný spotřebované energii. Pohyb kotouče se přenáší na počítací strojek. Přesné nastavení konstanty úměrnosti se provádí změnou polohy brzdicího magnetu, neboť brzdicí moment je tím větší, čím je působiště magnetu na kotouči dále od osy.Jednofázový elektroměr: U nás vyrábí elektroměry n. p. Křižík, jeden ze závodů ZPA (Závody průmyslové automatizace). Výrobní značka tohoto jednofázového elektroměru je EJE 8. Vyvážíme je do celého světa.Elektroměr třífázový: Na obrázku vidíte fotografii třífázového elektroměru n. p. Křižík výrobní značky ET 4.Schéma Wheatstoneova můstku: Pro měření velikosti odporu je užívaný Wheatstoneův můstek, jehož schéma je na obraze. Při vyvážení můstku, tj. když měřidlem neprotéká žádný proud, platí pro výpočet neznámého odporu R₄ vztah R₄ : R₁ = R₂ : R₃. Při skutečném provedení zapojujeme odpor R₁ se zaokrouhlenou hodnotou a odpory R₂ a R₃ se obvykle realizují pomocí napjatého odporového drátu, po kterém se pohybuje jezdec spojený s měřidlem. Schematicky je to naznačeno na pravém obrázku. Měřidlo ve vyváženém stavu indikuje nulový proud. Je tedy nutné, aby toto měřidlo bylo velmi citlivé, a aby mělo nulu uprostřed. Nejčastěji se zapojují do můstku citlivé galvanometry.Můstek Omega I: Z příručních můstků je u nás nejobvyklejší můstek Omega I, výrobek n. p. METRA v Blansku. Měrný drát je v něm stočen do kruhu a jezdec se posouvá po něm natáčením knoflíku s kruhovou stupnicí od 0,5 do 50. Souose s ním je umístěn knoflík přepínače, jímž se připojují srovnávací odpory. Přepínač lze nastavit do poloh označených 0,1×; 1×; 10×; 100×; 1000×. Dole v pravém kraji měřidla je dvoupolohové tlačítko. Jeho stisknutím zapojíme do obvodu nejdříve baterii a teprve potom galvanometr. Galvanometr je velmi citlivý: výchylka jednoho dílku odpovídá proudu asi 5 mikroampérů. Můstek se napájí suchou plochou baterií, která je uložena uvnitř přístroje. Měřený odpor se připojuje ke svorkám přístroje. Při měření nastavíme přepínačem rozsah a natáčením otáčivého kruhu můstek vyvážíme, až galvanometrem neprochází proud. Pak hodnota měřeného odporu je dána součinem čísel určených nastavením přepínače a otáčivého knoflíku.ICOMET: Na obrázku vidíte můstek ICOMET n. p. Metra. Lze jím měřit nejen odpory, ale i kapacity a indukčnosti. Proto je v můstku zabudován i bzučák. Jako indikátoru je nutné použít při měření kapacit a indukčností sluchátek – můstek je vyvážen tehdy, je-li tón v sluchátkách nejslabší. Sluchátka se zapojují do horních prostředních zdířek.Laboratorní Wheatstoneův můstek: Na obrázku je laboratorní Wheatstoneův můstek pro přesné měření odporů.׋›Elektrické měřicí přístroje IIVýrobceDPrahaRok1961Délka32 okénekAutor textuVoráček MiroslavPředlohaELKTOznačení4345Další diafilmy výrobceRadioaktivita přírodníAktuální problémy 1967Dítě a svět V. Alžírsko, Argentina, Austrálie, Barma, BelgieJizerské a Lužické hory
