ANALOGNI ELEKTRIČNI INSTRUMENTI

ANALOGNI ELEKTRIČNIINSTRUMENTI

ANALOGNI ELEKTRIANALOGNI ELEKTRIČČNINIINSTRUMENTIINSTRUMENTI

Merni sistem

Aktivni moment

Reaktivni moment

Kazaljka

Prigušenje oscilacija

Ispitni napon

Vrsta struje

Klasa instrumenata

Opšte karakteristikeOpOpššte karakteristikete karakteristike

Merni sistem instrumentaMerni sistem instrumenta

Merni sistem sastoji se od nepokretnih delova i pokretnogorgana čiji položaj zavisi od vrednosti merene veličine

Merni sistem je skup koji se sastoji od jednog ili višemernih isntrumenata i drugih uređaja, sastavljen tako dadaje informaciju koja se koristi za dobijanje vrednostimerene veličine, unutar određenog opsega vrednosti

Merni instrument ne mora imati jedan merni sistem već ihmože biti i više

Najvažniji delovi mernog sistema su:- uređaj za proizvođenje pomeranja i- delovi čije pomeranje ili položaj predstavljaju meru za

merenu veličinu

Da bi došlo do pomeranja kazaljke kod analognoginstrumenta, potreban je aktivni obrtni moment kojidovodi do zakretanja pokretnog organa instrumenta iznjegovog prvobitnog - mirnog položaja

AktivniAktivni (kretni)(kretni) momentmoment

Ovaj moment potiče od aktivne mehaničke sile koja se umernom sistemu razvija pri merenju električne veličine

Aktivni obrtni moment funkcija je merene veličine, a kodnekih vrsta instrumenata i ugla skretanja

Da bi se kazaljka zaustavila na nekom mestu skale,aktivnom momentu mora se suprotstavljati reaktivni(otporni, upravljački) obrtni moment

I ovaj moment deluje na pokretni organ instrumenta

Pokretni organ obično vrši kružno kretanje i njegovozakretanje ide dotle, dok se ne uspostavi ravnotežaizmeđu aktivnog i reaktivnog momenta

Postignuti ugao zakretanja (određen položajem kazaljkena skali) mera je za veličinu koja se meri

Reaktivni obrtni moment može se ostvariti pomoćuelastične spiralne opruge ili trake od pogodnog materijalakoja igra ulogu torzione opruge

Ovaj moment funkcija je ugla skretanja (ukoliko samdeluje na pokretni organ uvek ga dovodi u nulti položaj)

Reaktivni (otporni) momentReaktivni (otporni) moment

a) Kazaljka u obliku koplja

b) Kazaljka u obliku noža

c) Kazaljka u obliku noža- pogled sa strane

Za kazaljke se upotrebljavaju dvaoblika: široka igla u obliku koplja(a) i uzana u obliku noža (b) i (c)

Kazaljka instrumentaKazaljka instrumenta

Široka igla upotrebljava se kodonih instrumenata gde se tražidobra vidljivost i lako uočavanjepoložaja kazaljke, pri čemutačnost očitavanja nije od većegznačaja (instrumenti narazvodnim tablama)

Uzana igla omogućava mnogotačnije očitavanje i upotrebljavase za instrumente veće tačnosti(npr. klase tačnosti 0,5 ili manje)

OgledaloKazaljka

Da bi se još više povećala tačnost očitavanja, duž celeskale, a ispod vrha igle, postavlja se ogledalo

Pri očitavanju, posmatrač menja ugao gledanja sve dok sene poklope kazaljka i njen lik u ogledalu

Oscilacije su posledica momenta inercije pokretnogorgana instrumenta i momenta sile elastične opruge

Pošto su oscilacije u svakom slučaju nepoželjne, potrebnoih je prigušiti nekim pogodnim prigušivačem

Koriste se:

- prigušivači sa sabijanjem vazduha (sa krilcima)

- prigušivači na principu delovanja elektromagnetne sile

- prigušivači sa tečnostima (pomocu klipa koji se krece ukutiji sa tečnošću i koči trenjem klipa o vazduh)

Bez obzira na princip rada, sila koja koči pokretni organtreba da se smanjuje kada se smanjuje njegova brzina ida potpuno nestane kada se on nađe u stanju mirovanja

PriguPriguššivanje oscilacijaivanje oscilacija

1 - komora za sabijanjevazduha

2 - krilce za prigušenjeoscilacija

3 - osovina

4 - kazaljka

5- tegovi zauravnoteženje

Prigušivač oscilacija na principusabijanja vazduha sastoji se odzatvorene komore u kojoj jesmešteno krilce od aluminijuma,pričvršćeno za osovinu pokretnogorgana

Komora je na jednom mestu imaprorez, kako bi se osovina okretalabez dodirivanja zidova komore

Pošto vazduh ne može brzo prećiiz jednog dela komore u drugi,prilikom oscilovanja pokretnogorgana, aluminijumsko krilce vršisa jedne strane njegovo sabijanjea sa druge razređivanje i ponašase kao vazdušni amortizer

1 - metalni segment

2 - polovi stalnih magneta

3 - osovina

Umirivanje oscilacija pomoćuelektromagnetne sile zasnivase na delovanju indukovanihvrtložnih struja

Ako se masivan provodnikkreće u polju permanentnogmagneta, u njemu se indukujeelektromotorna sila, kojastvara vrtložne struje

Indukovane struje, zajedno sapoljem stalnog magneta uzroksu pojavi elektromagnetne sile

Obrtni moment nastao na ovaj način deluje suprotno kretanjupokretnog organa i tako prigušuje oscilacije

Njegova veličina zavisi od brzine kretanja provodnika krozmagnetno polje (sa zaustavljanjem pokretnog organa ovajmoment nestaje)

Provodni delovi mernog instrumenta moraju bitiodgovarajuće izolovani jedni prema drugima i premaspoljnoj okolini, odnosno prema kućištu

Ispitni napon instrumentaIspitni napon instrumenta

Ispitni napon 500 V

Ispitni napon u kV-ima(na slici 2 kV)

Instrument izuzet odnaponskog ispitivanja

Ova izolacija mora odgovarati pogonskom naponumerenog strujnog kola

Za uobičajene nominalne napone utvrđeni su ispitninaponi pri kojima se vrši ispitivanje izolacije instrumenta

Simboli ispitnih napona:

Vrsta struje za koju se instrument može upotrebiti zavisi odnjegove konstrukcije, odnosno od principa rada

Ima instrumenata koji su načinjeni samo za naizmeničnu,jednosmernu, kao i za obe vrste struje

Pored ostalih, na pločici skale postoji simbol sa vrstu struje zakoju se instrument može upotrebiti

Kada se radi o instrumentu za trofazni sistem, postojespecijalni simboli koji pokazuju broj strujnih i naponskih kolakoje sadrži dotični aparat

Vrsta struje instrumentaVrsta struje instrumenta

Jednosmerna struja

Naizmenična struja

Jednosmerna inaizmenična struja

Trofazna naizmeničnastruja

Propisano je sedam klasa tačnosti instrumenata:

0,1 0,2 0,5 1 1,5 2,5 5

Klase instrumentaKlase instrumenta

Simboli za klase tačnosti instrumenata:

Indeks klase tačnosti zagreške date u procentimamernog opsega (npr. 1,5)

Indeks klase tačnosti zagreške date u procentimadužine skale (npr. 1,5)

Indeks klase tačnosti zagreške date u procentimaprave vrednosti (npr. 1,5)

Na instrumentu su uobičajeno navedeni osnovni elementi oinstrumentu

U posmatranom primeru:

- vrsta struje koju instrument meri: naizmenična

- vrsta instrumenta: sa kretnim gvožđem

- klasa tačnosti: 1,5 (u procentimamernog opsega)

- položaj instrumenta primerenju: horizontalan

- ispitni napon: 2 kV

• Sa kretnim kalemom

• Logometarski sa kretnim kalemom

• Sa kretnim gvožđem

• Elektrodinamički

• Indukcioni

• Termički - sa zagrevnom žicom

- termospreg

- bimetalni

• Vibracioni

Vrste analognih instrumenataVrste analognih instrumenataVrste analognih instrumenata

Instrumenti sa kretnim kalemom

1 - stalni magnet2 - polni nastavci3 - valjak od mekog gvožđa4 - kretni kalem5 - spiralne elastične opruge

6 - kazaljka7 - tegovi za uravnoteženje8 - aluminijumski ram9 - namotana žica

10 - skala

• Instrumenti sa kretnim kalemom rade na principu delovanjaelektromagnetne sile na provodnik kroz koji protiče struja ikoji se nalazi u magnetnom polju

Instrumenti sa kretnim kalemomInstrumenti sa kretnim kalemom

• Provodnik je u obliku pravougaonog kalemskog namotaja(tanka izolovana žica namotana na pravougaonialuminijumski ram)

• Magnetno polje stvara jak permanentni magnet

• U sredini otvora između polova nalazi sevaljak od mekog gvožđa, oko koga seslobodno može obrtati pokretni sklop(čini ga kruta veza kalemskog namotajasa kazaljkom)

• Pri proticanju struje kroz namotajnastaje aktivni obrtni moment, koji jeproporcionalan jačini struje

• U vazdušnom procepu, između cilindričnih polova magneta ivaljka od mekog gvožđa, postoji radijalno, praktičnohomogeno magnetno polje

• Ukupna sila, koje deluje na stranekretnog kalema:


• Zbog male širine vazdušnog procepa, može se smatrati da sulinije polja paralelne

BlINF

N – broj navojaka kalemaI – struja kroz kaleml – dužine aktivnih strana kalemaB – magnetna indukcija

• Aktivnom magnetnom momentu suprotstavlja se otpornimoment spiralne opruge

IK • Moment linearno zavisi od ugla zakretanja kazaljke , pa važi:

Instrumenti sa kretnim kalemom su izrazito kvalitetniinstrumenti jednosmerne struje, veoma pogodni zalaboratorijsku primenu

Iako nisu direktno upotrebljivi za merenja naizmeničnihstruja, to ne predstavlja nedostatak, s obzirom da postojemerni ispravljači koji omogućavaju indirektno merenjenaizmeničnih struja

Struja koja se može direktno meriti je mala, pošto onaprolazi kroz kretni kalem (namotan vrlo tankom žicom)

Granice opsega mernja napona i struje mogu se popotrebi lako proširiti, rednim ili paralelnim vezivanjemotpornika sa instrumentom


Prednosti:Prednosti:

• Velika tačnost (prikladni za najpreciznije laboratorijskeinstrumenate)

• Velika osetljivost

• Mala sopstvena potrošnja

• Linearnost skale

• Veliki aktivni obrtni moment pokretnog organa

• Vrlo mali uticaj stranih magnetnih polja

Nedostaci:Nedostaci:

• Skuplja konstrukcija

• Manje robustna konstrukcija u odnosu na drugeinstrumente (osetljivi na udare i potrese)

• Jako osetljivi na preopterećenja


Logometarski instrumenti sa kretnim kalemom

• Magnetno polje deluje nadva kretna kalema, kojisu međusobno unakrsnopostavljeni (pod uglom od90° ili manjim) i čvrstofiksirani

• Kalemovi se obrću na istojosovini u nehomogenommagnetnom polju, koje sestvara naročitim oblikompolovnih nastavaka

• Struja se u kalemove dovodi preko uskih metalnih traka beztorzije, tako da se kretni sistem nalazi u indiferentnojravnoteži kada kroz kalemove ne prolaze struje

• Obrtni momenti M1 i M2 proporcionalni su strujama I1 i I2,respektivno

• Struje u kalemima teku tako, da momenti zakretanja nanjih deluju u suprotno

• Logometarski instrumenti mere odnos struja, a posredno iodnose drugih veličina proporcionalnih tim strujama

Logometarski instrumenti sa kretnim kalemomLogometarski instrumenti sa kretnim kalemom

1

2tgI

IK

• U trenutku ravnoteže, momenti M1 i M2 se izjednače, augao skretanja kazaljke zavisi od odnosa struja ukalemovima:

• Upotrebljavaju se za:

- merenje otpornosti, kao "ommetri" i "megometri" (jer jeotpornost određena odnosom napona i struje),

- merenje temperature (meri se odnos struje kroz stalniotpor i struje kroz neki otpor koji se menja satemperaturom na mestu merenja)

Instrumenti sa kretnim gvožđem

1 - nepokretni kalem

2 - nepokretno gvožđe

3 - pokretno gvožđe

4 - osovina

• Elektromagnetni instrumentipo principu rada

• Magnetno polje dobija sepropuštanjem struje kroznepomični kalem

5 - kazaljka

6 - tegovi za uravnoteženje

7 - krilce prigušivača oscilacija

• Princip merenja zasniva se nadejstvu magnetnog poljamerene struje na pokretnupločicu od mekog gvožđa

• Veoma su rasprostranjeni upraktičnoj primeni

• U unutrašnjosti kalema nalaze se dvakomadića lima od mekog gvožđa, jedanfiksiran, a drugi pokretan i vezan saosovinom pokretnog organa

Instrumenti sa kretnim gvoInstrumenti sa kretnim gvožžđemđem

• Pokretno gvožđe pomera se zajedno sa osovinom, dolazi dozakretanja pokretnog organa sa kazaljkom

• Kada se propusti struja kroz kalem,komadići lima postaju magneti, istoimenose namagnetišu i međusobno odbijaju

• Odbijanje istoimeno namagnetisanih komadića gvožđaproizvodi aktivni obrtni moment

• Aktivni obrtni moment zavisi od kvadrata struje, koja sepropušta kroz nepokretni kalem, pa je skretanje kazaljke srazmerno kvadratu merene struje:

2IK

Pri promeni smera struje, obrtni moment ne menja smisaodelovanja, tako da se ovi instrumenti mogu upotrebiti zamerenje naizmeničnih struja (pokazuju efektivne vrednosti), asvakako i jednosmernih (polaritet priključaka nema značaja)


Strana magnetna polja (od susednih provodnika ili namotajakroz koje protiču jače struje, od transformatorskih rasipnihpolja i slično) dosta utiču na pokazivanje ovih instrumenta, sobzirom da je magnetno polje njegovog kalema prilično slabo

Prigušivanje oscilacija je na principu sabijanja vazduha

Magnetno polje dobija se propuštanjem struje kroz čvrsti,nepomični kalem, pa njegovi namotaji mogu biti izrađeni oddeblje žice

Robustnost nepokretnog kalema dozvoljava merenje većihstruja, kao i znatna preopterećenja

Ne postoji problem dovođenja struje u kalem

Dobre osobine:Dobre osobine:

• Jednostavnost konstrukcije i niska cena• Robustna konstrukcija (nisu osetljivi na udare i vibracije)• Podnose velika preopterećenja (lako podnose 2-3 puta veće

struje od nominalne)• Sa kvalitetnim materijalom i dobrom konstrukcijom može se

postići i klasa tačnosti 0,1


Nedostaci:

• Prosečno, ipak manja preciznost u odnosu na neke drugevrste instrumenata

• Nelinearnost skale• Slaba osetljivost za male struje• Relativno velika sopstvena potrošnja• Osetljivost na strana polja

Elektrodinamički instrumenti

1 - nepokretni (strujni) kalemi2 - pokretan (naponski) kalem3 - gvozdeno jezgro4 - gvozdeni deo magnetnog kola5 - kazaljka

• Elektrodinamički instrumentirealizuju se primenom dvakalema: jednog pokretnog - zakoji je učvršćena kazaljka i kojise nalazi u magnetnom poljudrugog - nepokretnog kalema

• Rade na sličnom principu kaoinstrumenti sa kretnimkalemom, razlika je u stvaranjumagnetnog polja

• Kod instrumenata sa kretnimkalemom magnetno poljeproizvodi stalni magnet, a kodelektrodinamičkih instrumenata- nepokretan kalem, kroz kojiprotiče struja

ElektrodinamiElektrodinamiččki instrumentiki instrumenti

• Zbog bolje konfiguracije polja i manjeg magnetnograsipanja, nepokretan kalem podeljen je u dva odvojenanamotaja, koja u električnom pogledu čine jednu celinu

• Reaktivni moment stvaraju dve spiralne opruge, koje služe iza dovođenje struje u pokretni kalem

• Jednosmerna struja I1 kroz zavojke nepokretnog kalemastvara približno homogeno magnetno polje indukcije B namestu gde se nalazi pokretan kalem

• Kada kroz zavojke pokretnog kalema protiče struja I2, nanjegove dve vertikalne strane deluju elektromagnetne sile F,koje stvaraju aktivni obrtni moment, koji teži da zakrenepokretni kalem

• Umirivanje oscilacija kod elektrodinamičkih instrumenatavrši se ili sabijanjem vazduha ili dejstvom elektromagnetnesile

• Ako se smerovi struja promene istovremeno u oba kalema,smer obrtanja pokretnog kalema se ne menja, pa oviinstrumenti mogu meriti i jednosmerne i naizmenične struje

– ugao faznog pomeraja između ove dve struje


cos211 IIK

• Pri merenju u kolima naizmenične struje, skretanje je:

• Posebno značajno kod ovih instrumenata je njihovamogućnost direktnog merenja snage, a ne samo struje inapona, tako da se oni skoro isključivo koriste kao vatmetri

• U kolima jednosmerne struje skretanje elektrodinamičkoginstrumenta srazmerno je proizvodu struja kroz nepokretni ipokretni kalem:

211 IIK

• Merenje snage je moguće zbog postojanja dva namotaja(pokretnog i nepokretnog kalema)

• Kroz nepokretnikalem teče strujapotrošača


• Pokretni kalem sepreko predotporavezuje na naponpotrošača

• Nepokretni kalem vezuje se na red (kao ampermetar) sapotrošačem čija se snaga meri, dok se pokretni kalem vezujeparalelno, kao voltmetar

• Kada se vatmetar koristi za merenje snage potrošačajednosmerne struje, skretanje je srazmerno proizvodustruja u nepokretnom i pokretnom kalemu :

KW = K1/(R2 + Rp) - konstanta vatmetra

Merenje snageMerenje snage –– jednosmerna strujajednosmerna struja


211 IIK

• Struja u pokretnom kalemu je:p2

2 RR

UI

pa je pokazivanje instrumenta:

PKIURR

K

W1

p2

1

• Kada se vatmetar koristi za merenje snage potrošačanaizmenične struje, skretanje je srazmerno proizvodustruja u nepokretnom i pokretnom kalemu i faktora snage:

P je aktivna snaga


Merenje snageMerenje snage –– naizmeninaizmeniččna strujana struja

• Struja u pokretnom kalemu sada je:

cos211 IIK

22 Z

UI

Z2 - impedansa kola pokretnog kalema

• Kada je induktivnost pokretnog kalema zanemarljivo mala,Z2 ~ R2, pa je pokazivanje instrumenta:

PKIURR

K

W1

p2

1 cos

Indukcioni instrumenti

Rad indukcionih instrumenata zasniva se nadejstvu obrtnog magnetnog polja

Reaguju samo na naizmenične struje (zaformiranje obrtnog magnetnog poljapotrebne su najmanje dve naizmeničnestruje koje se međusobno fazno razlikuju)

Instrument ima dva namotaja - na jednom je namotanomalo zavojaka deblje žice, a oko drugog mnogo zavojakatanke žice, tako da sa struje u ova dva namotajameđusobno znatno fazno razlikuju i formira se obrtnomagnetno polje

Indukcioni instrumenti se vrlo retko sreću kaoampermetri i voltmetri, mnogo češće kao vatmetri, anajširu primenu imaju kao brojila električne energije

Termički instrumenti

• Rad termičkih instrumenata zasniva se na zagrevanjuprovodnika kada kroz njega protiče električna struja

Linearno izduživanje provodnika (dilatacija)

- INSTRUMENTI SA ZAGREVNOM ŽICOM

• Razvijena toplota srazmerna je kvadratu struje i može seiskoristiti za merenje njene veličine

• Koriste se tri pojave:

Termoelektrični efekat (pojava elektromotorne sile namestu dodira dva metala)

- INSTRUMENTI SA TERMOSPREGOM (termopretvaračem)

Deformisanje bimetalne trake kada se ona zagreva

- BIMETALNI INSTRUMENTI

• Rade na pricnipu propuštanja merene struje kroz tankurazapetu žicu, koja se tako zagreva i izdužuje

TermiTermiččki instrumentiki instrumenti

• Zasnivaju svoj rad na efektu direktnog pretvaranja toplotneenergije u električnu

TTermiermiččki instrumenki instrumentiti sa zagrevnomsa zagrevnom žžicomicom

• Elastična opruga preko pogodnog sistema zateže zagrevnužicu, tako da se njena mala dilatacija prenosi i uvećanapokazuje kazaljkom na skali instrumenta

Instrumenti sa tInstrumenti sa termermospregom (termopretvaraospregom (termopretvaraččem)em)

• Kada se mesto dodira dva različita metala zagreva, izmeđunjihovih slobodnih krajeva nastaje termoelektrični napon

• Mesto dodira dva metala može se zagrevati strujom, pa setako termoelement koristi za merenje jačine te struje

• Merena struja protiče krozbimetalnu spiralu, koja sezagreva i deformiše

1 - strujni dovodi2 - bimetalna spirala

(za merenu struju)3 - zaštitni kolut (presečen)4 - bimetalna spirala

(za kompenzaciju)

• Da bi se kompenzovalepromene temperature okoline,na istu osovinu pričvršćen jekraj još jedne bimetalnespirale, kroz koju ne protičestruja i koja deluje suprotnood aktivne (njene deformacijepotiču samo od promenetemperature)


BimetalniBimetalni instrumeninstrumentiti

• Deformacije spirale direktnose prenose na osovinu sakazaljkom

Bimetalni instrumenti imaju veliki obrtni moment (oko 1000puta veći od ostalih instrumenata) i zato im osovina može bitimehanički jača, a kazaljka može pokretati dodatni pokazivačza naknadno očitavanje dostignute maksimalne vrednostimerene veličine

Kratkotrajni strujni "špicevi" i "udari" skoro da ne utiču naskretanje kazaljke, jer vrlo malo zagrevaju bimetalnu spiralu

Mogu da izdrže velika preopterećenja

Najčešće se upotrebljavaju kao ampermetri za merenjesrednje vrednosti struje u većim vremenskim intervalima

Pokazivanje im je mera za trajna opterećenja

Mere i jednosmerne i naizmenične struje

Glavni nedostaci su im: mala tačnost, mala osetljivost i velikatromost u pokazivanju (vreme smirivanja im je oko 10 min)


Vibracioni instrumenti

1 - čelične lamele2 - zajednički držač3 - jezgro elektromagneta4 - namotaj elektromagneta

• Rad se zasniva na mehaničkojrezonanciji čeličnih lamela,koje imaju različite sopstvenefrekvencije mehaničkerezonance

• Lamele su na jednom krajuučvršćene u zajednički držač,a na slobodnim krajevima susavijene i obojene belo, takoda se vide kroz prorez naploči skale

• Pobuđuju se na oscilovanjeelektromagnetom, vezanim ukolo struje, čiju frekvencijutreba izmeriti

Vibracioni instrumenti upotrebljavaju se za merenje niskihfrekvencija. oko 50 ili 60 perioda u sekundi, a mogu senačiniti za merenje frekvencija od nekoliko stotina herca

Vibracioni instrumentiVibracioni instrumenti

• Najjače osciluje lamela čija rezonantnafrekvencija odgovara dvostrukojfrekvenciji naizmenične struje, doksusedne lamele osciluju sa manjimamplitudama (oscilacije lamela koje sudalje od rezonance toliko su male, da sei ne primećuju)

Savijeni deo lamele koja vibrira vidi se kao belipravougaonik, što omogućava lako i jasno očitavanje

Rade isključivo sa naizmeničnom strujom

Imaju malu sopstvenu potrošnju, jednostavne su i jakekonstrukcije

Priključuju se paralelno na napon mreže (kao i voltmetri)

Documents

ANALOGNI ELEKTRIČNI INSTRUMENTI