1.Bevezetés


1.1. A mérés fogalma, feladata


A mérés a természet jelenségeirõl való ismeretek szerzésének egyik alapvetõ módszere. A mérés tervszerûen végrehajtott gyakorlati tevékenységek összessége, amelyekkel valamely fizikai vagy kémiai mennyiség nagyságának jellemzésére alkalmas, a választott mértékegységben kifejezett értéket kapunk.
A mérésre vonatkozó ismeretek összességét metrológiának nevezzük. A méréstechnika a metrológiának a mérés gyakorlati megvalósításával foglalkozó része. Ez a tankönyv a méréstechnikának egy viszonylag szûk területével, az erõsáramú technika alapvetõ mérési feladataival és eszközeivel foglalkozik.
A mérés a kutatás, a termelés, az üzemeltetés nélkülözhetetlen eleme.


1.2. A mért mennyiség, mérési módszerek


A mérés során a mért mennyiséget jellemzõ számérték meghatározása a célunk. Ehhez elõzetesen rögzítenünk kell a számérték kifejezéséhez alapul vett mértékegységet. Az SI mértékegységrendszer használata 1976 óta hazánkban kötelezõ.

A mérést mérõeszközökkel végezzük. A mérõeszközök a mértékek (pl. méterrúd, idomszerek) és a mérõmûszerek (pl. ampermérõ). Mindegyik eszközrõl a mérés során a mért mennyiség számértékét valamilyen módon le tudjuk olvasni. A számérték és a mértékegység szorzata adja a mért mennyiséget:


A mérendõ mennyiséghez tartozó számérték meghatározásának módja szerint analóg és digitális mérési módszerrõl beszélhetünk.

Analóg mérési módszer:

A mérendõ mennyiségekhez folytonosan változó mennyiségeket rendelünk hozzá (pl. egy mutató szögelfordulása). Teljes szigorúsággal ez csak ideális esetben teljesül.

Digitális mérési módszer:

A módszer a mérendõ mennyiségekhez egymástól adott lépésnagyságokkal különbözõ - kvantált - mennyiségeket rendel ( pl. egy számkijelzõ által mutatott számérték). Az analóg ill. a digitális mérési módra a súlymérés területérõl vegyünk egy példát. A háztartási személymérlegeken ( ez lényegében rugós mérleg) egy folytonosan elforduló tárcsáról olvashatjuk le a súlyt jellemzõ számértéket, analóg mérési módról van szó. A patikamérleg ( emelõkaros, egyenlõkarú mérleg) digitális mérési módot valósít meg, a lépésnagyságot a kiegyensúlyozáshoz használt súlysorozat legkisebb súlyú tagja szabja meg.


1.3.A mérési pontosság


Mérési eljárásaink a mérendõ mennyiség valódi értékétõl többé-kevésbé eltérnek, minden mérésnek van hibája. A pontosabb mérési módszer általában költségesebb, de több információt is ad a vizsgált jelenségrõl. Lényegében a szükséges információtartalom megszabja a mérés pontossági igényét, ezt meghaladó pontosságra való törekvés felesleges költség- és munkatöbbletet jelent. A mérés során nemcsak a mért mennyiség számértékét kell meghatároznunk, hanem sok esetben elemeznünk kell a kívánatos és a választott mérési módszerrel elérhetõ pontosságot.

A méréskor megkívánt pontosságot jogszabályok, hatósági elõírások rögzítik, különösen olyan esetekben, amikor a nem megfelelõ pontosságú mérés biztonságtechnikai, élet- és vagonvédelmi következményekkel járhat, vagy pénzügyi elszámolásban hozhat létre elfogadhatatlan körülményeket.

A megfelelõ pontosságú méréshez elsõsorban alkalmasan megváltozott mérõeszközre van szükségünk, de ezen felül a mérési módszer és a mérés végrehajtásának körülményei is befolyásolják a mérési pontosságot. A méréssel beavatkoztunk a vizsgált folyamatba, hibás mérési módszerrel dolgozva a folyamat jelentõs változását idézhetjük elõ, ami mérési hibát is okoz. A vizsgált jelek és a mérõmûszer mûködési sajátosságainak kölcsönhatásaként is keletkezhet mérési hiba. A mérési hiba, bizonytalanság kérdésére a mérõmûszerek és alkalmazásuk tárgyalásakor rendszeresen visszatérünk.


1.4. A villamos jelek tulajdonságai


Az idõben változó villamos jeleket a következõképpen csoportosíthatjuk:
  • Determinisztikus jelek (1.-1. ábra) adott hibán belül reprodukálhatóak, bármely idõpillanatban beálló értékük elõre meghatározható (pl. az idõfüggvényük felírható).
  • Sztochasztikus ( véletlenszerûen változó) jelek.

    Ebben a tankönyvben a szinuszos, a komplex periodikus és a tranziens villamos jelek vizsgálatának alapproblémáival foglalkozunk. Ezekrõl nyerhetünk információt, egy adott pillanatban vagy folyamatosan mérhetjük ezek
  • pillanatértékét,
  • valamilyen átlagértékét,
  • valamilyen egyéb jellemzõjét.

    Ha az elektrotechnikában egyenáramról esik szó, elõször idõben állandó, "sima" egyenáramra gondolunk. A váltakozó áram fogalmához is a szinuszos lefolyású váltakozó áramot társítjuk. A hálózatainkban folyó áram formája pedig többnyire eltér az idealizálttól. Az egyenáramú, ill váltakozó áramú körökbõl vett egy-egy példával szemléltessük az elmondottakat.


    1.-1. ábra. A determinisztikus jelek osztályozása

    Az 1.-2. ábrán egy egyutas együtemû, kondenzátoros szûrésû egyenáramú tápegység kapcsolását, feszültségeinek és áramainak jellegzetes hullámformáit tüntettük fel.

    1.-2. ábra. Kondenzátoros szûrésû tápegység kapcsolása, feszültségeinek és áramainak hullámformája

    A mûködés sajátossága az, hogy a transzformátor szekunder tekercsén és a diódán csak akkor folyik áram, ha a transzformátor szekunder feszültségének pillanatértéke nagyobb, mint a kondenzátor feszültségének pillanatértéke. Ettõl eltérõ esetekben az i2 szekunder áram nulla, a kondenzátorban tárolt töltés sül ki a terhelõ ellenálláson keresztül, a terhelésre jutó ut feszültség - és ezen folyó it áram - ebben a szakaszban exponenciális függvénnyel leírható módon csökken. A terhelésre jutó feszültség és áram hullámos, a transzformátor szekunder tekercsében folyó áram pedig impulzusszerû.


    1.-3. ábra. Egyfázisú, váltakozóáramú szaggató elvi kapcsolása, a feszültség hullámformája

    A 1.-3. ábrán egy egyfázisú, triakot tartalmazó váltakozó áramú szaggató kapcsolási vázlata, feszültségeinek hullámformája szerepel. A triak olyan vezérelhetõ félvezetõ kapcsoló, amely mindaddig szakadásként viselkedik az áramkörben, amíg a vezérlõ elektródjára vezérlõfeszültséget nem adunk. Ekkor viszont vezetésbe lép ("begyújt") és marad mindaddig, amíg az áram nullára ( pontosabban egy igen kicsi értékre, az ún. tartóáramra) le nem csökken. A vezérlõkörrel a bekapcsolásnak a feszültség nullátmenetéhez viszonyított pillanatát, fázishelyzetét változtathatjuk, az ag gyújtáskésleltetési szöget. A bekapcsolás késleltetésének hatása az, hogy az u2 feszültség csak a periódusidõ egy részében kapcsolódik a terhelésre, a gyújtáskésleltetéssel a terhelésre jutó feszültség effektív értéke és ezzel a terhelés teljesítményfelvétele változtatható (csökkenthetõ). 180o -ot megközelítõ gyújtáskésleltetésnél a terhelésre jutó feszültség impulzusszerû.

    Az 1.-2. és 1.-3. ábrán látható áramkörökben egyaránt komplex periodikus feszültség - és áramjelekkel van dolgunk, a kettõ közötti lényeges eltérés az, hogy a tápegység jeleinek van egyenáramú összetevõje is, míg a váltakozó áramú szaggató jeleiben ilyen nincs.

    A komplex periodikus villamos jelek - azaz bármilyen nem szinuszos hullámformájú, de periodikus feszültség - vagy áramjel - elõállítható általában egy egyenáramú jel és végtelen sok, különbözõ frekvenciájú, megfelelõ amplitúdójú és fázishelyzetû szinuszos jel összegeként. A legkisebb frekvenciájú szinuszos összetevõt alapharmonikusnak nevezzük, a többit felharmonikusnak.

    A felharmonikusok frekvenciája az alapharmonikus frekvenciájának egészszámú többszöröse. Gyakori eset, hogy a nemszinuszos jelek csak a páratlan rendszámú (sorszámú) felharmonikusokat tartalmazzák, ez vonatkozik pl. az 1.-2. ábra szerinti váltakozó áramú szaggató jelére is. Hálózati 50 Hz-es frekvenciájú feszültségrõl táplálva ezt a szaggatót, a kimenõ feszültségben a harmadik (150 Hz), ötödik (250 Hz), hetedik (350 Hz), stb. felharmonikus jelenik meg. A nagyobb rendszámú felharmonikusok amplitúdója általában igen kicsi az alapharmonikusokhoz viszonyítva.

    A felharmonikustartalom helyett néhány egyszerûbb jellemzõ is megadható, amely utal a jel szabályostól eltérõ mértékére.

    Hullámos egyenfeszültség vagy egyenáram váltakozó áramú összetevõjének (hullámosságának) a mérõszámát a jel szélsõ értékeinek és egyenáramú összetevõjének (egyszerû vagy más néven elektrolitikus középértékének) alapján a következõ módon definiálhatjuk:


    Az 1.-2. ábra szerinti feszültség váltakozó áramú összetevõjét például a következõ módon számíthatnánk:

    Nemszinuszos váltakozó áramú jel felharmonikus tartalmát jellemzõ mérõszám a torzítási tényezõ (feszültségjelet feltételezve):



    ahol U1 az alapharmonikus, U2 , U3, U4, ... Uk a felharmonikusok amplitúdójának effektív értéke. A torzítási tényezõ lényegében a felharmonikusok effektív értékének aránya a jel effektív értékéhez viszonyítva. Mind a hullámosság, mind a torzítási tényezõ áramjelekre is értelemszerûen is definiálható. Mindkét jellemzõt szokás %-ban kifejezve megadni. Bizonyos fokig jellemzõ a nemszinuszos jelek alakjára két másik mérõszám, a csúcstényezõ (kcs ) és a formatényezõ (kf).




    .

    Hullámos egyenfeszültség vagy áram esetén is értelmezhetõ az elõzõ két mennyiség, csupán a formatényezõ értelmezése módosul:





    1.-4. ábra. Egyen- és váltakozóáramú jelek tulajdonságai

    Az 1.-4. ábrán néhány hullámforma sajátosságait foglaltuk össze. A sima egyenfeszültség (egyenáram) effektív értéke, középértéke és csúcsértéke megegyezik, a hullámos feszültség esetén viszont ezek az értékek már nem egyenlõek, a csúcstényezõ és a formatényezõ nagyobb 1-nél. A szimmetrikus négyszögjel tulajdonságai hasonlóak a sima egyenfeszültségéhez. A szinuszos jel tulajdonságai a legjobban ismertek. A váltakozó áramú szaggató kimenõ feszültségére jellemzõ, hogy a csúcstényezõ is és a formatényezõ is nagyobb, mint a szinuszos jelé. Ilyen tulajdonságú még pl. a fûrészjel, a vasmagos tekercsek mágnesezõ áramának jele.

    A komplex periodikus jelek tulajdonságaival azért foglalkoztunk kissé behatóbban, mert a teljesítményelektronikai berendezések (pl. a vezérelt egyenirányítók, váltakozó áramú szaggatók) elterjedésével az ilyen jellegû jelek mérése egyre gyakrabban válik szükségessé, mérésük speciális feladatot jelent. A mûszerek és mérési módszerek tárgyalása során esetenként megvizsgáljuk azt is, hogy milyen kérdéseket vet fel a komplex periodikus jelek mérése a szóban forgó esetben.

    Készült a Phare Program támogatásával a 0301-L006-32 sz. projekt keretében