Soustava SI

    Základní fyzikální jednotky, které v současné době používáme, jsou od roku 1960 uvedeny v mezinárodní soustavě SI. Tato soustava uvádí 7 hlavních fyzikálních jednotek, které nemění své vlastnosti v závislosti na času. Definice jednotek se vyvíjí, jak vlivem stále modernější techniky dochází ke stále přesnějšímu určení hodnot. V praktickém životě „běžného“ elektrikáře se však v podstatě nic  nemění.

    Mezi jednotky soustavy SI patří:

metr – značka m – původně byla délka 1m definována jako 1/10 000 000 čtvrtiny zemského poledníku. Nyní je 1m určen jako délka dráhy, kterou uběhne světlo ve vakuu za 1/299 792 458 sekundy.

kilogram – značka kg – jednotka je určena 1 dm3 destilované vody o teplotě 4°C.

sekunda – značka s – původně byla jednotka určena jako 1/84 400 délky středního slunečního dne. Nyní se sekunda odvozuje od period záření, které prochází atomem cesia 133.

ampér – značka A – dříve byla velikost proudu 1 A určena pomocí tzv. proudové váhy, která pracovala na principu vylučování stříbra ze stříbrného oxidu / sekundu. V současné době se proud 1 A uvažuje jako stálý elektrický proud 2 rovnoběžnými přímými, nekonečně dlouhými, vodiči ve vakuu, v přesné vzdálenosti od sebe, které na sebe působí definovanou silou.

kelvin – značka °K – je určený jako 1/273,16 termodynamické teploty trojného bodu vody

mol – značka  mol- definováno jako látkové množství soustavy – podle počtu atomů v přesně určeném množství uhlíku 12.

kandela – značka cd – určena jako svítivost zdroje, které vydává v daném směru přesně určené monochromatické záření.

    Kromě těchto jednotek jsou ještě definovány další i neelektrické. Pro elektrotechniku jsou definovány ještě jednotky: volt, ohm, farad, henry.

    Aby bylo možné v praxi provádět kontrolní měření a jednotky posuzovat, jsou hodnoty vybraných jednotek uchovávány a definovány pomocí tzv. etalonů – normálů.

    Etalony jsou velice přesné měřicí prostředky, které dané jednotky realizují. Etalon, nebo-li normál, musí konkrétní jednotku uchovat nezávisle na času a kdykoliv ji musí opět realizovat pro potřeby měření.

    Etalony mohou existovat jako přesné elektrické zařízení ( předmět ), přesný měřicí přístroj i jako definice ( software ).

    Dělení etalonů:

Nejpřesnější – mezinárodní – primární etalony jsou uloženy v Mezinárodním úřadu pro míry a váhy v Paříži. Obecně lze říci, že jsou to etalony s nejvyšší dosažitelnou přesností.

Od primárních etalonů se určují etalony sekundární. Ty se dělí dále na 3 stupně – 3 řády:

Nejpřesnější jsou normály – řád 0. Jsou to tzv. státní etalony a u nás jsou uloženy v Praze.

Následují etalony – řád 1. Jsou to ověřovací normály a používají se pro kontrolu laboratorních přístrojů.

Jako poslední jsou etalony – řád 2. Jsou to hlavní normály měrových středisek. Měrová střediska pracují jako ověřovací pracoviště pro kontrolu měřicí techniky ¨pracovníků v elektrotechnice. Bývají v každém regionu a každý elektrotechnik, který měřicí přístroje pro svou odbornou praxi používá, je povinen ze zákona v pravidelných lhůtách předkládat svoje přístroje ke kontrole.

    Etalony elektrických jednotek:

Normály jednotky elektrického proudu:

    O laboratorních  etalonech vyšších řádů jsme se již zmínili. Je nutné podotknout, že tyto etalony se v dílenské praxi realizovat nedají. Pro přesné měření lze použít přesný měřicí přístroj nebo velikost proudu definovat pomocí normálů jednotek elektrického napětí a odporu podle Ohmova zákona výpočtem.

Normály jednotky elektrického napětí.

     Tyto normály již realizovat lze. V laboratorních podmínkách lze použít Westonův článek. Má hodnotu napětí blíže hodnotě 1 V než článek Voltův a je tedy přesnější.






Westonův článek:

Napětí Westonova článku je 1,01865 V, při 20 °C. Je náchylný na poškození, nesmí se naklánět, musí mít stabilní polohu. Pro přesné měření, je–li delší dobu nepoužívaný, se musí kontrolovat – kalibrovat.

Tento článek nemůže poskytovat do obvodu velký proud. Jedná se o zlomky  µA.






   


V současné době se v praxi používají pro definici jednotek napětí teplotně kompenzované Zenerovy diody.

    Princip teplotní kompenzace Zenerovy diody:

    Základem je Zenerova dioda Z1. Diody D2 a D3, spolu z rezistory R1, R2 a R3 zajišťují co nejmenší závislost na oteplení.

   Použití těchto obvodů je univerzální. Dají se zapojovat do děličů napětí a tím je možné pro potřeby měření nastavit libovolné napětí. Zvláště s využitím integrovaných obvodů – operačních zesilovačů.






    Zapojení referenčníhi zdroje s operačním zesilovačem:


 Uvedený obvod musí být napájen stabilizovaným, dobře vyfiltrovaným stejnosměrným napětím. Operační zesilovač je v invertujícím zapojení. Jeho napájecí napětí není v tomto schéma pro přehlednost principu zakresleno. Běžně se ve výkresech neuvádí, protože je vždy stejné. Teplotně kompenzovaná Zenerova dioda určuje hodnotu řídícího – referenčního – napětí. Rezistor R1 omezuje proud Zenerovo diodou – určuje její pracovní bod. Dioda se během měření nesmí oteplovat. Rezistory R2 a R3 určují napěťové zesílení operačního zesilovače.

 

  Výstupní normálové napětí se vypočítá:

                               R3
 U NORM = UREF  •  ——
                               R2

   Jsou-li rezistory R2 a R3 přesné odporové normály, je výstupní napětí také normálové. Místo těchto rezistorů mohou být zapojeny v obvodu přesné odporové dekády.

Normály jednotky elektrického odporu:
 
   Jedná se vlastně o velmi přesné druhy rezistorů. Rozlišujeme normály a stejnosměrný a střídavý proud. Tyto rezistory nesmí měnit odpor v závislosti na času, musí mít malou závislost na oteplení. U normálů v obvodech střídavého proudu se navíc vyžaduje nulová indukčnost a kapacita.
Pro běžná přesná měření se vyrábí etalony s přesností 0,01 %.
    Materiál pro výrobu odporových etalonů musí být speciálně upravený. Nejvhodnější jsou slitiny. Např. Nikelin.

   Normály pro stejnosměrné měření:

                          Příklad etalonu odporu ( 5W )                                                                                                                 Příklad normálového odporu ( 20W )



















   Oba normály elektrického odporu jsou provedené pro větší proudy. Hlavní svorky jsou šroubové. Přesné rezistory jsou opatřeny kvůli dobrému odvodu tepla chladičem. Hlavní svorky jsou určené pro připojení rezistoru do měřeného obvodu. Musí být provedené tak, aby nevznikal žádný přechodový odpor. Ten by velmi podstatně znehodnotil přesnost měření. Na napěťové svorky se připojuje měřicí přístroj.

Příklad odporového normálu pro měření v obvodu střídavého napětí:

   Tyto normály mohou navinuty odporovým vodičem. Aby se zamezilo vzniku nežádoucí indukčnosti, která při vyšších frekvencích je podstatná, užívá se tzv. bifilární vinutí. Rezistor je navinutý tak, že sousedními vodiči vždy protéká opačný proud a tak se magnetická pole navzájem ruší. Připojovací konektory umožňují použití stíněných vodičů. I u těchto rezistorů jsou krajní svorky hlavní, pro připojení do obvodu a na prostřední – napěťové – se připojují měřicí přístroje.
Příklady etalonů

Normály jednotek kapacity:

    Tyto etalony se používají s plynným nebo pevným dielektrikem. Pro kapacity do 100 nF se používají deskové vzduchové kondenzátory. Základ tvoří pevné desky, do mezer mezi nimi se zasouvají desky otočné. Počet desek a jejich velikost jsou odvozené od dané kapacity. Pro větší kapacity se používají kondenzátory slídové ( přesnost do 1% ), pro vyšší kmitočty kondenzátory keramické.



Normály jednotek indukčnosti:

    Primární etalon představuje jednovrstvá cívka, která je navinutá na kostře z mramoru nebo skla. Do kostry je vybroušená drážka pro uložení vodiče.

    Jako sekundární etalon se používá vícevrstvá vzduchová cívka, která je navinutá na válcové kostře s izolantu. Aby délka drátu a tím i jeho elektrický odpor byly co nejmenší, používá se tento tvar:
Princip sekundárního etalonu indukčnosti
Přesnost těchto etalonů je  do 0,02 %.
zpět