Analoog- ja digitaalmõõteriistad (0)

Analoog - ja digitaalmõõteriistad

Elektrimõõteriistadega mõõdetakse
• elektrilisi suurusi (pinge, vool, sagedus, võimsus, takistus jm) ,
• mitteelektrilisi suurusi (temperatuur, rõhk, kiirus, nihe jm).
Mõõdetavate elektriliste suuruste arv on küllaltki suur. Lisaks puhtelektrilistele tavasuurustele on vaja mõõta tihti ka muid suurusi, mis iseloomustavad mitmesuguste protsesside, materjalide ja seadmete elektrilisi ning vajadusel ka magnetilisi suurusi.
Otsemõõtmisega on mõõdetav vaid väga vähene arv elektrilisi suurusi (pinge, vool). Takistuse mõõtmine aga toimub juba ahelat läbiva voolu kaudu.
Mitteelektriliste suuruste mõõtmistel kasutatakse anduri ja muunduri(te) abil saadud mõõdetava suurusega üheselt seotud elektrilist signaali, mis suunatakse elektrilise mõõteriista sisendisse.
Suure grupi moodustavad elektromehaanilised mõõteriistad , milles seadme liikuva osa asend sõltub mõõdetava suuruse väärtusest ning mille liikumiseks saadav jõud saadakse elektri- ja magnetvälja energia arvel. Enamikes sellistes mõõteriistades muundatakse voolujuhile mõjuv jõud osuti või muu näitava süsteemi (nt valguskiir ) liikumiseks, mille ulatust saab hinnata vastaval skaalal.
Analoogmõõteriistad
Analoog- ehk osutmõõteriistades muundatakse analoogsisendsignaal osuti liikumiseks, mis sõltub sisendsignaali väärtusest ja on samuti analoogsuurus.
Analoogmõõteriistade liigid on:
1) ühe- või kaheraamilised magnetoelektrilised mõõteriistad,
2) magnetoelektrilised galvanomeetrid,
3) muunduriga magnetoelektrilised mõõteriistad,
4) elektromagnetilised mõõteriistad,
5) elektro- ja ferrodünaamilised mõõteriistad,
6) elektrostaatilised mõõteriistad,
7) induktsioonmõõteriistad.
Magnetoelektrilised mõõteriistad.
Magnetoelektrilisi mõõteriistu toodetakse püsimagnetiga ja liikuva mähisega . Liikuva mähisega mõõteriistade tundlikkus ja täpsus on suuremad ning seepärast on need väga laialt levinud.
Logomeetrilised magnetoelektrilised mõõteriistad
Sellises mõõteriistas puudub vastupöördemoment ja liikuva osa pöördenurk sõltub voolude suhtest kahes mähises.
Mähised ühendatakse ahelasse momendivabade juhtmete abil. Voolu puudumisel on osuti asend juhuslik. Mõnikord kasutatakse asendi nullimiseks lisamagnetit. Mõõteriist on ehitatud nii, et magnetvoo tihedus õhupilus on ebaühtlane.
Voolude suunad mähistes valitakse selliselt , et mähistes tekkivad momendid oleksid vastassuunalised.
Kui voolud mähistes on võrdsed, siis momendid kompenseeruvad vastastikku. Kui aga üks vooludest on suurem, siis pöördub mehhanism selliselt, et suurema vooluga mähis asuks õhupilu sellises osas, kus magnetvoog on väiksem ja nõrgema vooluga mähis asuks seal, kus magnetvoog on tugevam.
Logomeeter mõõdab voolude suhet ja tema näit ei sõltu voolude absoluutväärtusest. Peale voolude suhte mõõtmise kasutatakse logomeetrit ka pingete suhte mõõtmiseks ning pinge ja voolu ehk takistuse mõõtmiseks.
Magnetoelektriliste mõõteriistade eeliseks on kõrge tundlikkus, suur pöördemoment nõrkade
mõõdetavate voolude korral, elementide hea stabiilsus ja välismagnetväljade väike mõju.
Nende mõõteriistade puuduseks on konstruktsiooni suhteline keerukus , suur maksumus, väike lubatav liigkoormus, sobivus ainult alalisvooluahelates mõõtmiseks.
Magnetoelektrilised galvanomeetrid. Galvanomeeter on osuti või optilise näidikuga suure tundlikkusega magnetolelektriline mõõteriist, mida kasutatakse väikeste voolude ja pingete mõõtmiseks. Osutgalvanomeetreid kasutatakse tavaliselt nullist kõrvalekalde mõõteseadmetena.
Alalisvoolu mõõtmiseks kasutatakse peamiselt karkassita liikuva mähisega seadmeid, vahelduvvoolu jaoks aga optilisi vibratsioongalvanomeetreid. Nende suur tundlikkus saavutatakse vastumomendi vähendamisega ja pika valguskiire kasutamisega.
Galvanomeetri mähis valmistatakse miniatuursena väga peenest traadist võimalikult suure keerdude arvuga. Mähise kinnitamiseks kasutatakse voolujuhtivaid ribasid, mis toimivad ka vastumomendi tekitajatena. Raamiga ühendatakse jäigalt peegel , mida valgustatakse lambiga. Peeglilt suunatakse valguskiir kas skaalale või milles peegeldub skaala.
Kuna galvanomeetreid kasutatakse väga väikeste voolude (alla 1,0 · 10-6 A) ja pingete mõõtmiseks, on väga oluline nende mõõteriistade tundlikkus.
Magnetoelektrilised mõõteriistad reageerivad oma suhteliselt suure mõõtesüsteemi inertsmomendi tõttu ainult staatilistele suurustele. Selleks, et neid saaks kasutada vahelduvsuuruste (pinge, vool) mõõtmiseks, tuleb need eelnevalt muundada staatiliseks või aeglaselt muutuvaks alalisvooluks või pingeks. Muundamiseks kasutatakse peamiselt alaldeid või soojuslike süsteeme.
Alaldiga mõõteriistad. Vahelduvvoolu alaldamiseks kasutatakse selliste mõõteriistade puhul poolperiood - või täisperioodalaldeid.
Termoelektriliste mõõteriistade põhilised eelised on
• piisavalt suur mõõtetäpsus laias sagedusdiapasoonis
• võimalus mõõta mittesiinuselisi signaale.
Puudusteks on
• väike ülekoormatavus,
• suur omatarve ,
• mittelineaarne skaala.
Elektromagnetilised mõõteriistad
Elektromagnetilistes mõõteriistades läbib mõõdetav vool liikumatu mähise, tekitades sellega
magnetvälja. Selle tulemusena hakkab pehmest ferromagnetilisest materjalist südamikule mõjuma jõud, kutsudes esile selle liikumise, mille suurus sõltub mõõdetava voolu suurusest .
Elektromagnetilise mõõteriista põhielemendid
Liikuv ferromagnetiline südamik kinnitatakse ekstsentriliselt osutiga ühisele teljele. Vastumomendi tekitamiseks kasutatakse spiraalvedru. Võnkumiste summutamiseks on mõõteriistas vedelik- või õhksummutid.
Elektromagnetilised mõõteriistad on tundlikud väliste magnetväljade suhtes. Nende mõju
vähendamiseks kasutatakse ekraneerimist või süsteemi muutmist astaatiliseks.
Ekraneerimisel ümbritsetakse mõõteosa suure magnetilise läbitavusega materjalist (nt permalloi) kaitsekestaga.
Astaatilise elektromagnetilise seadme mõõteahel koosneb kahest jadamisi ühendatud mähisest ja kahest südamikust. Mähised ühendatakse nii, et nende induktsioonid oleksid vastassuunalised, kuid pöördemomendid aga ühesuunalised . Välise magnetvoo muutumisel näiteks suureneb ühe mähise poolt tekitatav pöördemoment , samal ajal väheneb teise mähise poolt tekitatav pöördemoment. Summaarne pöördemoment seega ei muutu.
Astaatilised mõõteriistad on paremate mõõteomadustega, kuid tunduvalt kallimad.
Elektromagnetilisi mõõteriistu kasutatakse ka elektromagnetiliste logomeetitena, mille
tööpõhimõte on analoogne magnetoelektriliste logomeetrite omale. Selliseid mehhanisme
kasutatakse peamiselt vahelduvvoolu sageduse ja faasinurga määramiseks .
Elektromagnetiliste mõõteriistade peamised eelised on:
• sobivus mõõtmiseks nii alalis - kui ka vahelduvoolu ahelates,
• suur lubatav liigkoormus (ülekoormus),
• võimalus vahetult mõõte suuri voole ja pingeid, konstruktsiooni lihtsus ning madal maksumus.
Elektromagnetiliste mõõteriistade peamised puudused on:
• skaala ebalineaarsus,
• madal tundlikkus (eriti skaala alguses),
• suur omatarve,
• tundlikkus sageduse, väliste magnetväljade ja temperatuuri muutustele.
Elektrodünaamilised mõõteriistad.
Elektrodünaamiliste mõõteriistade mõõtesüsteem koosneb kahest üksteise sisse paigutatud mähisest, millest üks on püsiasendis (liikumatu), teine aga pöördub koos osutiga.
Kui mähiseid läbib vool, püüab liikuv mähis pöörduda teljel nii, et voolu poolt tekitatud magnetväli oleks paralleelne liikumatu mähise magnetväljaga. Vastupöördemomendi tekitamiseks on mõõteriistal kaks spiraalvedru.
Elektrodünaamiliste mõõteriistade põhieelised on:
• sobivus mõõtmiseks nii alalis- kui ka vahelduvvooluahelates,
• suur täpsus,
• pikaajaline näitude stabiilsus.
Elektrodünaamiliste mõõteriistade põhipuudused on:
• madal tundlikkus,
• väike pöördemoment,
• kõrge tundlikkus väliste magnetväljade suhtes.
Ferrodünaamilised mõõteriistad.
Selliste mõõteriistade elektrodünaamilise mehhanismi liikumatu mähis on keritud pehmest
magnetmaterjalist magnetsüdamikule. Selle tõttu saavutatakse õhupilus tunduvalt suurem
magnetvoo tihedus ja vastavalt ka suurem pöördemoment.
Ferrodünaamiliste mõõteriistade põhieelised on:
• vähene tundlikkus välismagnetväljade mõjule,
• väike omatarve,
• suur tundlikkus.
Ferrodünaamiliste mõõteriistade põhipuudused on:
• tundlikkus keskkonna temperatuuri ja mõõdetava voolu sageduse muutuse suhtes,
• spetsiifilised mõõtevead, mis tekivad pöörisvoolude, hüstereesi ja magneetimiskõvera
ebalineaarsuse tõttu.
Kasutatakse peamiselt vahelduvvoolu kilbi- ja registreerivate riistadena.
Elektrostaatilised mõõteriistad.
Elektrostaatiliste mõõteriistade tööpõhimõte rajaneb kahe või enama elektriliselt laetud juhi
vastastikusel mõjul. Sellise seadme liikuva osa nihe toimub elektroodidele rakendatud pinge mõjul ning seetõttu kasutatakse neid peamiselt voltmeetritena. Konstruktsiooniliselt kujutab sellise mõõteriista mõõtemehhanism endast muutuva mahtuvusega õhkkondensaatorit, mille mahtuvuse muutus saadakse kas elektroodide pinna või elektroodide vahelise vahekauguse muutmisega.
Elektrostaatilisi voltmeetreid kasutatakse pinge mõõtmiseks laias sagedusdiapasoonis 20 Hz kuni 30 MHz.
Elektrostaatiliste mõõteriistade põhieelised on:
• sobivus kasutada nii alalisvoolu- kui ka vahelduvvooluahelates,
• väike omatarve,
• mõõtetulemuste sõltumatus keskkonna tempereatuurist, pingekõvera kujust ja sagedusest
ning välismagnetväljadest.
Elektrostaatiliste mõõteriistade põhipuudused on:
• madal tundlikkus ja täpsus,
• skaala mittelineaarsus,
• tundlikkus väliste elektriväljade ja õhuniiskuse suhtes.
Induktsioonmõõteriistad.
Sellistes mõõteriistades toimub liikuva osa pöördumine mitme vahelduvmagnetvoo vastastikuse tulemusena vooludega, mis indutseeritakse nende magnetvoolude poolt süsteemi liikuvas osas.
Induktsioonmõõteriistu kasutatakse vaid vahelduvvooluahelates ampermeetritena, voltmeetritena, vattmeetritena, faasimeetritena, enimalt elektrienergia mõõtjatena (arvestitena).
Mõõtemehhanism koosneb kahest liikumatust mähisega magnetjuhist, teljele kinnitatud alumiiniumkettast ja pidurdusmagnetist.
Induktsioonmõõteriistade põhieelised on:
• suur pöördemoment,
• suur koormatavus,
• välismagnetväljade väike mõju.
Induktsioonmõõteriistade põhipuudused on:
• kasutatavus vaid vahelduvvooluahelates,
• väike täpsus,
• suur omatarve,
• näitude sõltuvus voolu sagedusest ja temperatuurist.
Digitaalmõõteriistad
Analoogmõõteriistad on lihtsa konstruktsiooniga ja nende näidikud võimaldavad jälgida mõõdetava suuruse muutuse tendentsi ja on seetõttu väga näitlikud. Puuduseks on see, et mõõtetulemuse täpsus sõltub mõõtja võimalusest ja kogemusest määrata kindlaks osuti asend skaala suhtes. Seetõttu võivad kaks mõõtjat saada sama suuruse fikseerimisel erinevad tulemused. Digitaalmõõteriista indikatsioonisüsteem väljastab väärtuse numbrilisel kujul, mis välistab mitmeti mõistmise.
Suure sisetakistuse tõttu avaldavad digitaalmõõteriistad minimaalset mõju mõõdetavale suurusele.
Nende tundlikkus sõltub eelkõige primaarmuunduri (anduri) tundlikkusest. Ülejäänud probleemid on lahendatavad konstruktsiooni ja skeemi valikuga: nt muundurite ebalineaarsus on programmiliselt kompenseeritav. Selliseid mõõteriistu on võimalik paigutada mõõtmiskoha vahetusse lähedusse ja mõõtetulemusi edastada andmekogumisseadmesse juba digitaalsel kujul kas juhtme kaudu või juhtmevabalt, mis vähendab signaali ja mõõtetulemuse moonutust.
Digitaalmõõteriistade üheks oluliseks eeliseks on võimalus salvestada mõõtetulemusi pikemaks ajaks kas mõõteriista enda või mõne arvuti mälusse ja nii neid hiljem töödelda ja analüüsida. Ka võib selliseid mõõteriistu küsitleda ja juhtida arvutivõrkude kaudu. Ühe mõõteseadmega võib olla ühendatud mitu andurit üheaegselt, mida mõõtesüsteem küsitleb järgemööda või üheaegselt.
Digitaalmõõteriistade skeemilised ja konstruktiivsed lahendused on küll väga erinevad, kuid nende üldine ehituspõhimõte on ühesugune. Mõõdetav ehk sisendsuurus qs teisendatakse sisendmuunduri abil vajaliku amplituudiga pingesignaaliks u = f(qs). See normeeritud signaal sisestatakse ananaloog-digitaalmuundurisse, milles toimub tema teisendamine koodiks, mida esitatakse monitoril kümnendarvudena. Kõiki protsesse juhib ja sünkroniseerib juhtplokk .
Sisendmuunduri funktsioonide hulka kuulub sisendsuuruse muundamine pingeks ja vajaduse korral ka selle võimendamine, alaldamine ja mürataseme piiramine.
Analoog-digitaalmuunduri peamiseks ülesandeks on analoogsignaali muutmine diskreetseks ja muundamine koodiks. Keerukamates süsteemides on väljundkoodiks kahendkood, mida saab kasutada nii monitori juhtimiseks kui ka mõõtetulemuse edastamiseks mikroprotsessorsüsteemi või arvutisse sidekanalite kaudu.
Lihtsamate mõõteriistade korral kujutab analoog-digitaalmuundur endast universaalset digitaalvoltmeetrit, mis sisaldab nii juhtimis- kui ka sisendsignaali formeerimisahelaid. Sellise muunduri väljundkoodid on sobitatud vedelkristall - või valgusdioodidel põhineva indikatsioonimooduli juhtimiseks, mis esitab mõõteväärtuse kümnendkoodis.