električna mjerenja

ilustracija
ELEKTRIČNA MJERENJA, mjerenje snage u jednofaznoj izmjeničnoj mreži - instrumenti zanemarivoga potroška mjere
ilustracija1ilustracija2ilustracija3

električna mjerenja, mjerenja raznovrsnih električnih i neelektričnih veličina električnim mjernim postupcima. Od električnih veličina najčešće se mjere električna struja (ampermetar kao tipični mjerni instrument), električni napon (→ voltmetar), električna snaga (→ vatmetar), električna energija (električno brojilo, vatsatmetar), faktor snage, frekvencija (frekventometar), električni otpor (→ ommetar), električni kapacitet, induktivitet, impedancija, valni oblik struje, napona ili koje druge električne veličine, signala i sl., jakost magnetskoga polja, magnetska indukcija i druge magnetske veličine te različiti omjeri napona, struja, impedancija itd. Kako bi se s pomoću električnih instrumenata mjerile neelektrične veličine, treba ih pretvoriti u električki mjerljiv oblik. Tako se npr. mjere pomak, brzina, kutna brzina, ubrzanje, sila, mehanička snaga, kutna količina gibanja, nagib, tlak, protok, razina tekućine, temperatura, toplinski tok, jakost zvuka, vrijeme, vlažnost, brzina strujanja i sastav plinova i tekućina, koncentracija vodikovih iona (pH-vrijednost), svjetlosni tok, osvjetljenje i dr. Električna mjerenja provode se ili mjernim instrumentima koji izravno pokazuju vrijednost tražene veličine ili neizravnim metodama, u kojima se tražena veličina određuje na osnovi njezine pretvorbe ili očitanja vrijednosti pojedinih komponenata u složenome mjernom sklopu. Svaki je instrument građen za određene vrijednosti mjerene veličine (mjerni opseg), već prema svojoj (deklariranoj) točnosti i opteretivosti.

Pokazni se instrumenti prilikom uključivanja u mjerni krug trebaju spajati na točno određeni način, jer se u protivnome dobivaju pogrešni rezultati ili nastaju kvarovi i štete. Jakost električne struje mjeri se ampermetrom, koji se priključuje u seriju s trošilom i treba imati mali vlastiti električni otpor kako bi što manje poremetio odnose u mjernome krugu i kako bi pokazivao stvarnu ukupnu struju trošila. Mjerni se opseg ampermetra za istosmjernu struju može proširiti paralelnim spajanjem otpornika malog otpora (engl. shunt). Za mjerenje izmjenične struje ampermetar se najčešće priključuje preko prikladnoga strujnog (mjernog) transformatora, čime je također omogućeno mjerenje električnih struja u vodičima koji se nalaze na visokome naponu. – Električni napon mjeri se voltmetrom s velikim vlastitim električnim otporom, a na trošilo se priključuje paralelno. Radi proširenja mjernog opsega, serijski mu se dodaje predotpor ili ga se u izmjenični krug priključuje preko naponskoga transformatora, koji snizuje mjereni napon na vrijednost mjerljivu voltmetrom i izolira ga od visokonaponskoga strujnog kruga. – Električna snaga mjeri se vatmetrom, koji se sastoji od dviju zavojnica: strujne, koja se u mjerni krug priključuje jednako kao i ampermetar, te naponske, koja se spaja kao i voltmetar. Također, obe se zavojnice priključuju u mrežu izravno ili posredstvom strujnog i naponskog transformatora. Za mjerenje jalove snage u jednofaznoj izmjeničnoj mreži (jedinica: var) rabi se posebna izvedba vatmetra nazvana varmetrom.

Neizravne metode mjerenja, uz primjenu različitih mjernih mostova, kompenzatora i kalibratora, najčešće se rabe za mjerenja visoke točnosti. Mjerni most četverokutna je električna mreža sastavljena od četiriju komponenata (npr. od četiriju otpornika, kondenzatora ili zavojnica) smještenih u svaku od grana. U jednoj dijagonali četverokuta nalazi se osjetljiv instrument (nulindikator), a na drugu se priključuje izvor napajanja. Mijenjanjem vrijednosti komponenata u pojedinim granama most se dovodi u ravnotežu (nulindikator ne pokazuje otklon), pa se iz poznatih vrijednosti triju komponenata izračunava vrijednost četvrte, mjerene komponente. Za mjerenje električnoga otpora pri istosmjernoj struji najpoznatiji je Wheatstoneov most, a za mjerenje malih otpora Thomsonov most. Među mostovima za izmjeničnu struju najpoznatiji su Maxwellov i Wienov za mjerenje i usporedbu induktiviteta, odnosno Wienov i Scheringov za mjerenje kapaciteta realnih zavojnica i kondenzatora te različite izvedbe tzv. transformatorskih mostova.

Kompenzator služi za vrlo precizna mjerenja istosmjernog napona, a također i električne struje, otpora i snage. Njime se može precizno namjestiti (npr. na osam decimalnih znamenaka) poznata vrijednost istosmjernoga napona u širokom rasponu (npr. od 1 mV do 1000 V). Tako proizvedeni napon lako je usporediti s nepoznatim naponom i s pomoću nulindikatora ustanoviti njihovu jednakost (kompenzacijska metoda mjerenja). Mjerenje struje, otpora ili koje druge električne veličine kompenzacijskom metodom ostvarivo je ako se tražena veličina prethodno pretvori u razmjerni istosmjerni napon. Tako se npr. struja, radi mjerenja kompenzacijskom metodom, pretvara u pad napona pri prolasku te struje kroz precizno poznati otpornik, a toplinski učinci izmjenične struje pretvaraju se u razmjerni istosmjerni napon uz pomoć preciznih termoelemenata.

Kalibrator električnih i neelektričnih veličina mjerna je naprava koja na izlaznim priključcima daje točno poznate vrijednosti veličina. Tako npr. kalibrator otpora na priključnicama daje onoliku vrijednost otpora kolika je postavljena položajem njezinih preklopki ili je ta vrijednost unesena preko ugrađenih tipki za automatsko postavljanje. Slično tomu, kalibrator istosmjernoga napona zapravo je izvor točno poznatog i precizno namjestivoga napona, a čine ga ugrađeni izvor stalnoga napona, slog otpornika za namještanje potrebne vrijednosti izlaznoga napona i izlazno pojačalo (snage), koje omogućuje da kalibrator podnese propisano opterećenje, a da mu se izlazni napon pritom nimalo ne promijeni.

Za mjerenje različitih veličina potrebno je pokriti širok raspon mjerenih vrijednosti po mjernom i frekvencijskom opsegu istosmjernih i izmjeničnih napona i struja. Nije dovoljno samo pretvoriti mjerene veličine u lako mjerljivi istosmjerni napon ili struju, nego tu veličinu treba prethodno ili naknadno smanjiti (reducirati) ili povećati (pojačati), kako bi se ona u svojem dinamičkom smislu vjerno prenijela duž cijeloga mjerno-pretvorbenoga lanca sve do pokaznog instrumenta. To je osobito teško kada se radi o brzim, odnosno o visokofrekvencijskim pojavama. U tu se svrhu rabe različiti elektronički mjerni instrumenti, najčešće sastavljeni od poluvodičkih elemenata i sklopova.

U automatiziranim postupcima mjerenja i upravljanja procesima rabe se sve opisane mjerne metode i postupci. Sustavom upavlja procesno računalo, a u računalo upisani protokoli određuju svaki trenutak uključenja, isključenja i trajanja pojedinih faza procesa, što se ostvaruje sustavom upravljivih preklopki za uzimanje mjernih uzoraka, za njihovu računalnu obradbu, stalni ili povremeni prikaz ili ispis, izvršenje povratne zadaće u procesu, odnosno slanje podataka na mjesto njihova prikupljanja, obradbe i sl.

Mjerenje neelektričnih veličina električnim mjernim postupcima ostvaruje se s pomoću pretvornika, koji prevode neelektrične u električne veličine. Prema fizikalnom djelovanju osjetila pretvornici se mogu svrstati u pasivne i aktivne. U pasivnim pretvornicima mjerena neelektrična veličina uzrokuje promjenu prikladnoga djelatnog električnog otpora, kapaciteta ili induktivnosti, a za mjerenje nastale promjene potreban je pomoćni izvor struje, najčešće već ugrađen, zajedno s osjetilom, u sam pretvornik. Aktivni pretvornici prevode toplinsku, mehaničku, svjetlosnu ili kemijsku energiju u električnu (izlaz pretvornika izvor je istosmjernoga napona ili struje) na temelju npr. indukcijskoga, piezoelektričnog, termoelektričnog, fotoelektričnog ili galvanskog djelovanja. Njima u načelu nije potreban pomoćni izvor struje.

električna mjerenja. Hrvatska enciklopedija, mrežno izdanje. Leksikografski zavod Miroslav Krleža, 2018. Pristupljeno 26.4.2019. <http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=17565>.