0x01 graphic

Ćwiczenie nr . 8

Temat : Pomiar dużych prądów o częstotliwości 50 Hz

1 Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie metod pobierania sygnałów , zależnych od prądu ,

z pola elektrycznego i z pola magnetycznego , metod przetwarzania tych sygnałów oraz poznanie właściwości metrologicznych i eksploatacyjnych układów pomiarowych , a także ich odporności na zakłócenia elektromagnetyczne .

2 Spis przyrządów

- Rw - rezystor bocznikowy 150 mV / 600 A 0,25 mΩ kl. 0,5

- V1 - woltomierz AC V541 0,05 wart. Mierzonej ±0,01 pełnej skali

- V2 - multimetr magnetoelektryczny prostownikowy V640 kl. 1,5

- A - amperomierz elektromagnetyczny kl 0,5

- IP2C/T przekładnik prądowy J1n / J2n = 600A / 5 A kl 0,5

- M. - czujnik izolacyjny M. = (8,2 ± 0,1 ) μH

- FS - fluksomiez synchroniczny 50 Hz ± 1% zakres rozdzielczość ± 0,01 mWb

- Ac - PK 210 miernik cęgowy prost. kl. 2,5

3 Wprowadzenie teoretyczne

Duże prądy mierzy się najczęściej metodami pośrednimi . Podstawowa metoda pośrenia polega na pomiarze spadku napięcia na rezystorze , przez który przepływa mierzony prąd .

Inna metoda polega na zastosowaniu w pomiarze dużych prądów , przekładników prądowych . Przekładnik prądowy jest transformatorem dostosowanym do pracy przy małej impedancji obciążenia strony wtórnej . Uzwojenie pierwotne przetworników transformujących duże prądy ma tylko jeden zwój w postaci szyny przewleczonej przez pierścieniowy magnetowód ferromagnetyczny o dużej przenikalności początkowej . Siła elektromotoryczna indukowana w uzwojeniu wtórnym kompensuje spadki napięcia spowodowane przez prąd wtórny na impedancji wewnętrznej i impedancji obciążenia przekładnika . Metoda ta służy do pomiarów prądów nie przekraczających 10 kA .

Dowolnie duży prąd można bezpiecznie mierzyć za pomocą czujników indukcyjnych bez magnetowodu ferromagnetycznego . Zasadniczym elementem jest nieprzewodzący pierścień o stałej przenikalności magnetycznej stałej powierzchni przekroju poprzecznego i o możliwie równomiernie rozłożonych zwojach uzwojenia wtórnego wzdłuż jego obwodu .

Aby uniknąć przerwania obwodu , podczas pomiaru dużych prądów można wykorzystać tzw. amperomierze cęgowe .

4 Schemat pomiarowy

5 Tabele pomiarowe

1 Pomiar dużego prądu za pomocą rezystora

a) przy wyłączonych induktorach

lp

V1

[ mV ]

Zakres

[ mV ]

Prąd w obw.

[ A ]

delU

[mV]

delJ

[ A ]

delR

[ μΩ ]

1

13,16

52,64

1,66

6,90

2

25,13

100,52

2,25

9,50

3

39,90

100

159,60

2,99

12,75

1,24

4

51,03

204,12

3,55

15,21

5

64,26

257,04

4,21

18,11

6

76,34

305,36

4,81

20,75

przy włączonym induktorze nieliniowym

lp

V1

[ mV ]

Zakres

[ mV ]

Prąd w obw.JN1

[ A ]

delU

[mV]

delJ

[ A ]

delR

[ μΩ ]

1

16,67

66,68

1,83

7,60

2

32,03

128,12

2,60

10,45

3

47,70

100

190,80

3,38

14,47

1,24

4

62,35

249,40

4,12

17,72

5

76,95

307,80

4,85

20,93

6

91,69

366,76

5,58

24,14

2 Pomiar prądu za pomocą przekładni prądowej

przy wyłączonych induktorach

lp.

Jn2

[ A ]

zakresJn2

[ A ]

Jn1

[ A ]

delJn2

[ mA ]

delJn1

[ A ]

N2/N1

1

0,44

2.5

52,80

12,50

1,5

2

0,86

103,20

12,50

1,5

3

1,30

156,00

25,00

3

120

4

1,66

5

199,20

25,00

3

5

2,19

262,80

25,00

3

6

2,49

298,80

25,00

3

przy włączonym induktorze nieliniowym

lp.

Jn2

[ A ]

zakresJn2

[ A ]

Jn1

[ A ]

delJn2

[ mA ]

delJn1

[ A ]

N2/N1

1

0,64

76,80

12,50

1,5

2

1,18

2.5

141,60

12,50

1,5

3

1,60

192,00

12,50

1,5

120

4

2,10

252,00

12,50

1,5

5

2,60

312,00

25,00

3

6

3,05

5

366,00

25,00

3

3 Pomiar dużego prądu za pomocą amperomierza cęgowego .

wyłączone

induktory

włączony

nieliniowy

lp.

J

[ A ]

zakres

delJ

[ A ]

J

[ A ]

zakres

delJ

[ A ]

1

52

100

2,5

52

100

2,5

2

100

150

3

152

300

7,5

200

300

7,5

4

200

250

5

252

300

6

300

-

4 Pomiar prądu za pomocą fluksomierza

przy wyłączonych induktorach

lp.

φ

[mW]

J1

[ A ]

φ

[mW]

J1

[ A ]

φ

[mW]

J1

[ A ]

φ

[mW]

J1

[ A ]

φ

[mW]

J1

[ A ]

1

0,38

46,34

1,03

125,61

1,04

126,83

0,39

47,56

1,29

157,32

2

0,23

28,04

1,11

135,36

0,93

113,41

0,54

65,85

1,29

157,32

3

0,08

9,75

1,18

143,90

0,81

98,78

0,69

84,15

1,27

154,88

4

-0,08

-9,75

1,23

150,00

0,68

82,92

0,82

100,00

1,22

148,78

5

↓0,25

↓30,49

1,28

156,09

0,54

65,85

0,93

113,41

1,15

140,24

6

0,41

50,00

1,29

157,32

0,40

48,78

1,02

124,39

1,07

130,49

7

0,56

68,29

1,29

157,32

↑0,25

↑30,48

1,10

134,15

0,96

167,07

8

0,70

85,36

1,26

153,66

-0,09

-10,97

1,18

143,90

0,85

103,66

9

0,83

101,22

1,21

147,56

+0,07

+8,54

1,23

150,00

0,73

89,02

10

0,94

114,63

1,14

139,02

↓0,23

↓28,05

1,27

154,88

0,60

73,17

przy włączonym induktorze nieliniowym

lp.

φ

[mW]

J1

[ A ]

φ

[mW]

J1

[ A ]

φ

[mW]

J1

[ A ]

φ

[mW]

J1

[ A ]

φ

[mW]

J1

[ A ]

1

-2,20

-268,29

0,17

20,73

1,96

239,02

-0,09

-10,97

0,18

21,95

2

-1,96

-239,02

0,17

20,73

2,20

268,29

↓0,13

↓15,85

0,21

25,60

3

+160

+195,12

0,17

20,73

2,33

284,14

0,16

19,51

0,32

39,02

4

↓1,18

↓143,90

0,17

20,73

2,25

273,39

0,16

19,51

0,70

85,36

5

0,70

85,36

0,17

20,73

2,03

247,56

0,16

19,51

1,35

164,63

6

0,24

29,27

0,18

21,95

1,70

207,32

0,16

19,51

1,90

231,70

7

0,04

4,88

0,23

28,05

1,26

153,66

0,16

19,51

2,20

268,29

8

0,11

13,41

0,36

43,90

↑0,79

↑96,34

0,16

19,51

2,23

271,95

9

0,14

17,07

0,84

102,43

+0,30

+36,58

0,16

19,51

2,25

274,39

10

0,16

19,51

1,46

178,05

-0,01

-1,22

0,14

17,02

2,05

250,00

6 Wykresy

1 Wykres dla zwartych induktorów

2 Wykres dla włączonego dławika nieliniowego

7 Przykładowe obliczenia

ad 5 )1 a :

Błąd klasy rezystora :

Błąd klasy miernika (woltomierza) :

0.05*13.16+0.01*100 = 1.66 mV

Błąd wyliczonego prądu :

ad 5 ) 2 a :

Błąd klasy miernika ( amperomierza ) :

Błąd przekładni prądowej :

ad 5 ) 3

Błąd amperomierza cęgowego :

ad 4 ) a

Obliczanie estymatorów :

estymator wartości średniej przy włączonych induktorach :

błąd średni kwadratowy :

estymator wartości średniej przy włączonym induktorze nieliniowym :

błąd średni kwadratowy :

8 Uwagi i wnioski końcowe .

Dokonaliśmy pomiaru prądu czterema metodami , przy wyłączonych induktorach oraz przy włączonym induktorze nieliniowym . Minimalny zmierzony prąd 52,64 A a maksymalny 366,76 A . Stosunkowo największe błędy bezwzględne wprowadza metoda pomiaru dużych prądów za pomocą rezystora . Różnice w odczycie wyniku dochodzą nawet do 24,14 A . Związane jest to z niedoskonałością rezystora , który przy pomiarze wielkich prądów wprowadza coraz większy błąd . Duży wpływ na wynik pomiaru ma w tym przypadku temperatura . Przy przepływie coraz większych prądów rezystor nagrzewa się i jego rezystancja rośnie , co wpływa na pomiar . Zmieniają się przy tym wymiary geometryczne . Metoda ta powinna służyć do pomiaru prądów nie przekraczających 10 A . Dla uzyskania lepszych parametrów pomiaru należało by utrzymywać stałą temperaturę rezystora .

Pomiar błędu przy pomocy przekładni prądowej . Przekładnia transformuje prąd do zakresu 0 - 5 A na uzwojeniu wtórnym . Przy pomiarze dużego prądu tą metodą występuje błąd przekładni prądowej , błąd kąta między wektorami Jn1 , Jn2 . Przy pomiarze dużego prądu tą metodą należy także zwrócić uwagę na impedancję , aby nie była zbyt duża , gdyż wraz z jej wzrostem wzrasta także prąd magnesujący wprowadzając kolejne błędy . Rachunkowo błąd bezwzględny wynosi 1,5 - 3 A , co w konsultacji z poprzednią metodą działa na jej korzyść . Pomiar dużego prądu przy pomocy przekładni prądowej jest więc stosowany dość powszechnie . Metoda ta posiada jednak niedogodność polegającą na tym iż musimy przerwać obwód aby dokonać pomiaru , wiąże się to jednak z niebezpieczeństwem porażenia prądem . Aby tego uniknąć stosuje się tzw. amperomierze cęgowe , które bezpośrednio nie ingerując w obwód podają wynik pomiaru . Metoda ta obarczona jest nieco większym błędem , związanym z klasą miernika .

Dokonaliśmy pomiaru wartości chwilowych prądu za pomocą fluksometru .

Estymatory wartości średnich wynoszą odpowiednio dla obwodu przy włączonych induktorach 0,15A natomiast przy włączonym induktorze nieliniowym - 8,65 A .

Porównując wyniki pomiarów dużych prądów przy wyłączonych induktorach :

rezystor

przekładnia

cęgowy

lp

Prąd w obw.

[ A ]

Jn1

[ A ]

J

[ A ]

1

52,64

52,80

52

2

100,52

103,20

100

3

159,60

156,00

152

4

204,12

199,20

200

5

257,04

262,80

252

6

305,36

298,80

300

Jak widać w powyższym zestawieniu wyniki pomiarów nieznacznie tylko odbiegają od siebie , mieszcząc się w przedziałach błędów .

Zestawienie przy włączonym induktorze nieliniowym :

rezystor

przekładnia

cęgowy

lp

Prąd w obw.JN1

[ A ]

Jn1

[ A ]

J

[ A ]

1

66,68

76,80

52

2

128,12

141,60

150

3

190,80

192,00

200

4

249,40

252,00

250

5

307,80

312,00

300

6

366,76

366,00

-

Różnice wynikające w pomiarze nr1 prawdopodobnie wynikają z niedokładności odczytu z przyrządów .

1