Transcript Měřicí přístroje

Elektrická měření 10 VI2 – 3. sem.
Bc. David FURKA
Měřicí přístroje
• seznámení s přístroji měřícími zákl. el. veličiny:
– ampérmetr
– voltmetr
– wattmetr
– měřič kmitočtu
– osciloskop
• seznámení s významem vyjadřování chyby měření a její
výpočet
ELM VI2 Měřicí přístroje
1
Obecné rozdělení měř. přístr. (MP)
• analogové - měří kontinuelně
- spojitý údaj
- nepotřebují vlastní zdroj el. en. (někdy)
- lze odečíst amplitudu přech.dějů
- lze zjistit trend měřené veličiny
• číslicové
- několik měření za sekundu (multimetr 3x)
- jednoznačný údaj
- chyba je nezávislá na poloze přístroje
- nespojitý údaj (záleží na citlivosti)
- potřebují vždy cizí zdroj el. energie
- nedávají informaci o trendu měř. veličiny
ELM VI2 Měřicí přístroje
2
Ampérmetr – pro DC proud
• měří elektrický proud – přímoukazující měřicí přístroj
• prochází jím celý měřený proud – zapojen sériově
• požadavek na minimální vnitřní odpor – chyba metody
Možnosti měření stejnosměrného proudu
•
101 μA ÷ 100 A
- analogový magnetoelektrický nebo
•
101 μA ÷ 101 A
elektromagnetický MP
.
- číslicový Ametr a multimetry
- úbytek napětí na bočníku > ADP > ZJ
•
•
od 101 nA
101 pA ÷ 102 pA
- el. převodník UI s operačním zesil.
- úbytek napětí na vysokoohm.odporu
•
větší proudy
mikrovoltmetrem s modulačním zesil.
- bočníkem zvětš. měř. rozsah Ametru
ELM VI2 Měřicí přístroje
3
Ampérmetr – pro AC proud
Možnosti měření střídavého proudu
• 100 mA ÷ 102 A - elmag. a eldyn. analogové MP
frekv. do 102 Hz
- magel. analog. MP s usměrňovačem
(harmon.průběh)
• 102 μA ÷ 101 A
frekv. do 103 Hz
• větší proudy
větš. f = 50 Hz
- číslicové multimetry (úbytek napětí na
bezindukčním bočníku)
- externí bočník
- měřicí transformátor proudu
- klešťový ampérmetr
ELM VI2 Měřicí přístroje
4
Voltmetr – pro DC napětí
• měří el. napětí – přímoukazující měřicí přístroj
• snímá rozdíl potenciálů – připojujeme paralelně na měř. část obvodu
• požadavek na maximální vnitřní odpor (kvůli chybě metody)
Možnosti měření stejnosměrného napětí
• 101 mV ÷ 102 V
- magel. analogové voltmetry
• 102 μV ÷ 102 V
- číslicové voltmetry
• větší napětí
- s použitím předřadníku
• menší napětí
- s použitím předzesilovače
• velmi malá napětí
- s použitím modulačního zesilovače
ELM VI2 Měřicí přístroje
5
Voltmetr – pro AC napětí
Možnosti měření střídavého napětí
• 100 V ÷ 102 V
- magel. analogové Vmetry s
usměrňovačem frekv. do 103 nebo termočlánkem
až 104 Hz
- měří Ustř resp. Uef, stupnice v Uef
• 101 V ÷ 102 V
- elmag. analogové Vmetry
frekv. do 101 - měří Uef, stupnice v Uef
někdy až 103 Hz
• 100 mV ÷ 101 V
- nf milivoltmetry (s analog. i dig. výstupem)
- měří Ustř resp. Uef, stupnice v Uef
• 102 mV
f až 100 GHz
- Vmetry s vf sondou
- měří Umax, stupnice v Uef
ELM VI2 Měřicí přístroje
6
Digitální multimetr
• číslicový stejnosměrný voltmetr doplněný o převodníky měřicí
střídavá napětí, proudy, odpory (převádějí na DC napětí)
• základ je DC voltmetr (vst.dělič VD a zesilovač Z, AD převodník,
log.řídicí jednotka ŘJ a číslicový zobrazovač ČZ)
• další bloky převádějí měřené veličiny na DC napětí v požadovaném
rozsahu hodnot
ELM VI2 Měřicí přístroje
7
Digit. multimetr – hlavní parametry
•
•
•
•
•
•
•
•
počet míst zobrazovače
(3 až 8 a ½ místa)
počet a hodnoty vstupních rozsahů (4 až 6 pro 0,01 V až 1000 V)
přesnost
(tabulka v manuálu)
časová stálost
rozlišovací schopnost (1 digit – změna posled. místa na displeji o 1)
citlivost
(min. napětí měřitelné tímto MP)
vstupní impedance
(typicky 10 MΩ)
typ použitého AD převodníku
(dvoutaktní integrace)
ELM VI2 Měřicí přístroje
8
Číslicový ampérmetr
Jaké zdířky?
Do obvodu zapojit sériově
Proudové svorky
B + C – menší proudy (zde do 2A) - jištěno
A + C – větší proudy (zde od 2 do 20A) - nejištěno
Nastavený měřicí rozsah
A B C
AC A – střídavý proud
DC A – stejnosměrný proud
ELM VI2 Měřicí přístroje
9
Číslicový voltmetr
Do obvodu zapojit paralelně
Jaké zdířky?
Napěťové svorky
A + B - pro měření všech napětí
Nastavený měřicí rozsah
AC V – střídavé napětí
max. 750 V
DC V – stejnosměrné napětí max. 1000 V
Vnitřní odpor přístroje
A B
typická hodnota 10 MΩ
ELM VI2 Měřicí přístroje
10
Wattmetr
Pro přímé měření elektrického výkonu je třeba snímat
napětí i odebíraný proud  4 svorky
• analogový
- elektrodynamický
- ferodynamický
• elektronický
- na principu PWM
- s Hallovou sondou
- se vzorkovačem, ADP, pamětí a
procesorem
ELM VI2 Měřicí přístroje
11
Analogový wattmetr
Zapojení Wmetru do obvodu
Popis svorek a cívek
ELM VI2 Měřicí přístroje
12
Měřiče kmitočtu
Většinou přímoukazující přístroje
• analogové - rezonanční jazýčkové kmitoměry (45 ÷ 55 Hz)
- výchylkové kmitočtoměry
- osciloskop (nepřímá metoda)
• číslicové
- čítače
- digitální osciloskop
- analogový kmitočtoměr s číslovým výstupem
ELM VI2 Měřicí přístroje
13
Osciloskop - úvod
 na obrazovce zobrazuje průběh signálů přivedených na vstup
Přístroj sloužící především k:
• zobrazení časového průběhu signálu
• měření periody, frekvence, amplitudy a dalších parametrů…
• porovnání dvou, popř. více signálů
• měření fázového posuvu
• Zobrazení vzájemné závislosti dvou signálů
ELM VI2 Měřicí přístroje
14
Osciloskopy - rozdělení
•
•
•
•
Několik kritérií pro rozdělení, ty hlavní jsou:
princip
- analogové
- digitální__________________________
počet paprsků
- jednopaprskové
- dvoupaprskové____________________
použití
- laboratorní univerzální (NF a VF)
- vzorkovací
- vysokonapěťové
- medicínské
- malé revizní______________________
počet kanálů
- jednokanálové
- dvoukanálové
- vícekanálové
ELM VI2 Měřicí přístroje
15
Osciloskop (analog) – hlavní části
• Vertikální systém
• Horizontální systém
• Obrazovka
- vstupní obvody
- koncový vertikální zesilovač
- zpožďovací linka________________
- obvod časové základny
- spouštěcí obvod
- koncový horizontální zesilovač_____
- katoda – zdroj elektronového paprsku
- vertikální vychylovací destičky
- horizontální vychylovací destičky
- Wehneltův válec (tvar, rychl., ostrost)
- luminofor
ELM VI2 Měřicí přístroje
16
Analogový osciloskop
 nejrozšířenější, většinou 2-kanálový
 obrazovka s elektrostatickým vychylováním
 základní osciloskop pracuje při f = 0 až 10 MHz
Nejdůležitější parametry
• počet kanálů
(1, 2, s el. přepínačem i více – 4,8…)
• vstupní napěťové rozsahy
(1 mV/d až 5 V/d)
• vstupní impedance
(typ. 1 MΩ a C = 30 pF)
• doba náběhu
(dle fh)
• horní mezní kmitočet
(101 až 102 GHz)
• počet časových základen
(1 nebo 2 – dvojitá ČZ)
• přesnost zesílení
• doplňky osciloskopu (kurzory apod.)
ELM VI2 Měřicí přístroje
17
Doba náběhu a horní mezní kmit.
Horní mezní kmit. fh
- frekvence harmonického signálu, při kterém je
amplituda zobrazeného signálu teprve o 3 dB
nižší než skutečná amplituda (0,707krát)
Doba náběhu tn
- reakce na vstupní obdélníkový puls o f = 50% fh
- doba potřebná k růstu zobrazené amplitudy z
0,1 Umax do 0,9 Umax
0,35
tn 
fh
ELM VI2 Měřicí přístroje
18
Osciloskop (analog) – blok.schéma
• signál zprac. VD, PZ a KVZ
• ZL zpozdí signál o 20-200 ns
• zpožděný sig. U4 – vych.sys.
• u3 slouží pro spouštění ČZ
• ČZ - pohybuje bodem po obr.
- řídí jas bodu na obr.
- nastavuje stupnici osy x
• P1 – přepínač AC-DC-GND
• P2 – přep.spouštění EXT-INT
• P3 – přep.řežimu Y-t a XY
ELM VI2 Měřicí přístroje
19
Dvoukanálový osciloskop
Zásadní problém – jak jedním paprskem zobrazit souč. 2 průběhy…?
Vycházíme ze setrvačnosti světélkování bodu na luminoforu, kde dopadá
elektron.
• režim CHOP- zobrazí kousek sig.1, kousek sig.2, zas kousek sig.1 atd.
- použití pro zobrazení průběhů nižších kmitočtů
• režim ALT
(alternate)
- zobr. celý průběh sig.1, pak celý průběh sig.2,
- použití pro zobrazení průběhů vysokých kmitočtů
ELM VI2 Měřicí přístroje
20
Režimy přepínání ALT a CHOP
ELM VI2 Měřicí přístroje
21
Dvoukanálový osciloskop - schéma
AM – astabilní multivibrátor
PPF – přep. pevnou frekv. (CHOP)
PČZ – přep. čas. zákl. (ALT)
ELM VI2 Měřicí přístroje
22
Ovládací prvky analog. osc.
A - přep. ČZ [s/div]
B - přep. 1.kanálu [V/DIV]
A
C - přep. 2.kanálu [V/DIV]
L
J
M
1 div
N
I
K
D,E - přep. typu průběhu
F - přep. režim zobrazení
G,H - vertik. pozice průb.
D
F
B
E
C
G
H
I - intenzita světlení bodu
K - ostrost paprsku
J - síťový vypínač
L – nast.úrovně spouštění
M – režimu spouštění ČZ
Kanál 1
Kanál 2
ELM VI2 Měřicí přístroje
N – zdroj spouštění ČZ
23
Pracovní režimy osciloskopu
• 1 kanálový režim Y – t
- závislost kanálu 1 (osa Y) na čase (t)
• 2 kanálový režim Y – t
- CH1 – čas. závislost kanálu 1
- CH2 – čas. závislost kanálu 2
- DUAL – současné zobr. kanálů 1 i 2
- ADD – zobr. součtu obou průběhů
• 2 kanálový režim X-Y
- časová základna vypnuta
- signál kanálu 1 vychyluje ve směru X
- signál kanálu 2 vychyluje ve směru Y
- složením sig. o stejné frekv.obrazec
- tvar obrazce je dán fáz. posuvem sig.
ELM VI2 Měřicí přístroje
24
Dvojitá časová základna I.
•
•
•
•
u vyšší třídy osciloskopů (“dual timebase“)
pro zobrazení detailů průběhu (zákmity apod.)
nejběžnější je tzv. zpožděný režim – hlavní a zpožděná ČZ
po průběhu se posouváme nezávisle na čase volbou ÚSB
ELM VI2 Měřicí přístroje
25
Dvojitá časová základna II.
1. – průběh zobrazení pomocí hlavní ČZ
2. – průběh signálu hlavní ČZ
3. – průběh signálu zpožděné ČZ
 čas t0 řízen úrovní spouštění ČZB
4. – modulace jasu – součet umodA a umodB
5. – průběh zákmitu (tB) při funkci “delay“
ELM VI2 Měřicí přístroje
26
Digitální osciloskop
Měřený (snímaný) signál je digitalizován
• snímáno v ekvidistantních časových okamžicích
• ukládání do rychlé číslicové paměti
• vyjmutí z paměti  zobraz., další využití (pam.médium,stand.rozhr.)
•
•
•
•
•
•
Charakteristické parametry a veličiny
šířka pásma, nap.citlivost, přesnost,počet kanálů atd.(jako u analog.
osc.)
vzorkovací frekvence
vertikální rozlišovací schopnost (počet bitů ADP)
velikost paměti
rychlost obnovování průběhů na displeji
standard. rozhraní apod.
ELM VI2 Měřicí přístroje
27
Digitální osciloskop
• nejstarší DO – číslicová paměť dynam. dějů s analog.osc.na výstupu
– je-li zde ČZ analog.osciloskopu – lze přepínat analog. a dig. režim
• využívá se “FIFO“ paměť
– paměť je neustále plněna vzorky, obsah kontinuelně přepisován
– po naplnění – jako první se přepíše první zapsaný vzorek
• současné osciloskopy – mikropočítač zpracovává digitaliz. signál
– některé osc. - jen jeden ADP pro všechny kanály – časový multiplex (jako
CHOP mode u analog.osc.)
ELM VI2 Měřicí přístroje
28
Digitální osciloskop - výhody
Výhody číslicového zpracování průběhů:
•
•
•
•
•
•
•
•
jednorázové přechodové děje – možnost zachycení
lepší přesnost
rychlé měření (kurzory, autom.výpočty, zobrazení hodnot na displ.)
dostupnost kopie průběhu (tisk, dig.podoba apod.)
archivace
možnost číslicového zpracování sejmutých průběhů a spektr. analýza
úplná programovatelnost měření, samočinné nastavení přístroje
možnost “záporného zpoždění - pretriggering“
ELM VI2 Měřicí přístroje
29
Digitální osciloskop bez multiplexu
ELM VI2 Měřicí přístroje
30
Dig. osciloskop s multiplexem
ELM VI2 Měřicí přístroje
31
Vzorkování v reálném čase (RTS)
Musí být splněna podmínka vzorkování (vzorkovací věta)
f s ≥ fm ,
kde fs je vzorkovací kmitočet, fm je kmitočet nejvyšší obsažené
harmonické složky
– klas. vzorkování v ekvidistantních čas. intervalech - vzorkovací
interval  vzork. frekvence fs ~ 4÷10 fh max
– jediný spouštěcí impuls  blok vzorků ve všech kanálech
– umožňuje pretriggering
– jediný typ vzorkování jednorázových přechodových dějů
– výhodné – velká vzorkovací rychlost a velká hloubka (délka)
paměti
ELM VI2 Měřicí přístroje
32
Sekvenční vzorkování v
ekvivalentním čase (SRS)
•
•
•
•
•
převzato z analogových vzorkovacích osciloskopů
jen pro periodické průběhy
z každé periody jen 1 vzorek (spoušť. pulsem), poloha dalšího vzorku se oproti
začátku periody posunuje o Δt (časovacím obvodem)
ekvivalentní vzorkovací frekv.je pak mnohem vyšší než skutečná fse = 1 / Δt
oproti RTS : + větší fse – lze zachytit více detailů
- pomalejší sestavení průběhu, neumožňuje pretriggering
ELM VI2 Měřicí přístroje
33
Náhodné vzorkování v
ekvivalentním čase (RRS)
• pouze pro periodické průběhy
• umožňuje pretrigger, rychlejší sestavení obrazu než SRS
• po příchodu každého spouštěcího pulsu je signál ovzorkován max.
vzork. frekvencí
• generátor vzorkovacího signálu není synchronizovaný se
spouštěcím impulsem, prodleva se mění pro jednotlivé sady
ekvidistantních vzorků (sada1,2,3,…)
ELM VI2 Měřicí přístroje
34
Pasivní sonda k osciloskopu
• Zvst osciloskopu bývá 1 MΩ a paralelní Cvst bývá 30 pF
– v nižších kmitočtech – chování jako R
– u vyšších kmit. kapacita ovlivňuje průběh
• hrot snímající vstupní signál – ovlivňuje měřený obvod
• sonda musí být správně vykompenzovaná
A
B
Kompenzace sondy (1kHz)
C
A – málo kompenzovaná (C1 příliš malé)
B – vykompenzovaná správně C1R1=(Ci+CK)Ri
C – překompenzovaná, C1 moc velké)
ELM VI2 Měřicí přístroje
35
Děkuji za pozornost
Kontakt:
Bc. David FURKA
[email protected]
412 315 047
ELM VI2 Měřicí přístroje
36