Mérés és adatgyűjtés levelező tagozat Elektromos mennyiségek mérése Mingesz Róbert 2014. március 28.

1

Tartalom

• • • • • Elektromos mennyiségek mérése A/D konverterek alkalmazásai Védelmi kategóriák Digitális multiméterek Tápegységek 2

Reklám

3

• • Honlap: http://www.noise.inf.u szeged.hu/Research/cefaic/ Facebook oldal: www.facebook.com/cefaic Jövő héttől kvíz kérdések pluszpontokért 4

Kvíz kérdések – szabályok

• • • Egy személy: csak egy válasz Több válasz esetén egyikért sem jár pont Azonos válaszok esetén a) Csak az első kap pontot b) Első x helyes válasz (csak ha így van kiírva a kérdés) Kapható pluszpont: 1-3 Feladat nehézségétől valamint választól függő 5

Feszültség mérése

6

Feszültségmérő bekötése

• • Párhuzamosan kötjük az áramkörbe Az áramkört nem kell megszakítani 7

Reális feszültségmérő

• • • Ideális feszültségmérő nem vezet Reális feszültségmérő: véges belső ellenállás ( 𝑅 M ) Helyettesítő kép: 8

Műszer belső ellenállása

• • 𝑅 b : a feszültségforrás belső ellenállása (impedanciája) 𝑅 M : a műszer belső/bemenő ellenállása 9

Példa belső ellenállásra

• • 𝑈 𝑅 b M = 100 kΩ, 𝑅 𝑀 𝑈 = 𝐼 ∙ 𝑅 M = 𝑅 b = 1 MΩ, 𝑈 = 10 V + 𝑅 M 𝑅 M = 10 V 100 kΩ + 1MΩ 𝑈 M = 9,09 V ∙ 1 MΩ A feszültségmérés relatív hibája: ℎ = 9,09 % 10

Példa belső kapcsolásra

𝑅 M 𝑈 = 𝑅 0 2 = 𝑉 + 𝑅 cc 1 ∙ 𝑅 1 ∙ 𝑅 1 𝑅 1 𝑅 3 + 𝑅 3 + 𝑅 3 11

Bemenő impedancia megadása

• • Bemenő ellenállás – Földre van kötve – Nincs megadva nulla pont Szivárgó áram Szivárgó áram hatása: ∆𝑈 = 𝑅 b ∙ 𝐼 be 12

A váltakozó jel paraméterei

13

Egyszerű közép

• 𝑈k = 𝑇 1 𝑈 𝑡 d𝑡 𝑇 0 Tiszta szinuszos jel esetén nulla 14

Effektív középérték (RMS)

𝑈eff = 𝑇 1 𝑇 0 𝑈 𝑡 2 d𝑡

Az effektív érték annak az egyenfeszültségnek vagy egyenáramnak az erősségének felel meg, melynek teljesítménye egy ohmikus ellenálláson megegyezik az egyen vagy váltóáram teljesítményével.

15

Abszolút középérték

• 𝑈a = 𝑇 1 𝑇 0 𝑈 𝑡 d𝑡 Az egyenirányított jel középértéke 16

Csúcsérték

• •

Peak value

– a 0/középérték és a maximális érték különbsége – – Szinuszos jel esetén: amplitúdó Zajok esetén: 3σ Csúcstól-csúcsig amplitúdó (Peak to peak value) 17

A váltakozó jel paraméterei

18

Korrekciós tényezők

19

Mérőkapcsolások

20

Passzív egyenirányítás

• Dióda nyitófeszültsége ~ 0,6 V 21

Aktív egyenirányítás

22

Kétutas aktív egyenirányítás

23

Csúcsérték detektor

24

RMS mérése

• • • • Termikus konverterek Analóg szorzók Mért jelek digitális feldolgozása Integrált áramkörök 25

AD8361 - RMS mérő

26

Áramerősség mérése

27

Áramerősség mérése

• • Sorosan kötjük az áramkörbe Az áramkört meg kell szakítani!

28

Áramerősség-mérő belső ellenállása

• • Ideális áramerősség-mérő: jól vezet belső ellenállása 0, a rajta eső feszültség 0 V Reális áramerősség-mérő: véges belső ellenállás feszültség esik az áramerősség-mérőn 29

Áramerősség-feszültség konverzió

• Ohm törvény alapján: 𝐼 = 𝑈/𝑅 30

További paraméterek

31

A váltakozó áram teljesítménye

• Pillanatnyi teljesítmény: 𝑃 𝑡 = 𝑈 𝑡 ∙ 𝐼(𝑡) 32

Hatásos teljesítmény

• • A fogyasztó által felvett teljesítmény folyamatosan változik Hatásos teljesítmény (átlagos teljesítmény): – 𝑃 = 𝑈 eff 𝐼 eff cos 𝜑 cos 𝜑 : teljesítménytényező (ideális esetben = 1) 33

Meddő teljesítmény

• • 𝑃 = 𝑈 eff 𝐼 eff sin 𝜑 A fogyasztó és az erőmű között ingázik Szállítása veszteséget termel 34

3 fázisú feszültség/áram

• • Nagyobb teljesítmények átvitele Kb. konstans teljesítmény 35

Fogyasztás mérése

36

Frekvencia mérése – analóg elv

• • Feszültség – frekvencia konverzió Bemenet → jelkondicionálás → rögzített idejű impulzusok → átlagolás 37

Frekvencia mérése – számlálás

• Bemenet → jelkondicionálás → impulzusok → időegység alatt érkező impulzusok számlálása 38

Fáziskülönbség

• • Időkülönbség mérése Fáziskülönbség → kitöltési tényező 39

Fáziskülönbség mérése

40

Ellenállás mérése

41

Ellenállás mérése Ohm törvény alapján

𝑅 x = 𝑈 𝐼 • Megjegyzés: az ellenállást mindig ki kell szedni az áramkörből!

42

Feszültségosztó

𝑈 x 𝑅 = 𝑈 ∙ 𝑅 x x = 𝑅 1 𝑅 x + 𝑅 𝑈 x 1 𝑈 − 𝑈 x ⇒ 43

Ellenállás mérése áramgenerátorral

• • Előny: a mért feszültség arányos az ellenállással A vezetékek ellenállása hibát okoz 𝑅 x = 𝑅 ref 𝑈 ki 𝑈 ref 44

Négypontos ellenállásmérés

• • Cél: vezeték ellenállásának kiküszöbölése További alkalmazás: fajlagos ellenállás mérése 45

Hatpontos ellenállásmérés

• Áramkörbe épített ellenállások mérése 46

A/D konverterek meghajtása

47

Szükséges jelkondicionálás

• • • • • • Bemenet impedanciájának növelése Előerősítés Mintavételi szűrés Csatorna kiválasztása Feszültség átskálázása A/D bemenet meghajtása 48

Követő erősítő

49

Jel átskálázása

• • • Pl. bemenő jel ±1 V Kimenő jel: 0..2,5 V 𝑅 1 𝑅 2 1 = 1,25 , 𝑈 x = 0,444 𝑉 50

Jel átskálázása

51

Műszererősítő

52

További kapcsolások

53

Bemenet túlfeszültségvédelme

54

D/A kimenet bufferelése

55

Analóg kapcsolók

56

Analóg multiplexer

57

Mintavételi szűrő

58

Elsőfokú aluláteresztő szűrő

𝑓 𝑐 1 = 2 𝜋 𝑅𝐶 59

60

Példák mintavételi szűrőkre

61

Zavarjelek beszűrődése

• • • Kapacitív Ohmikus Induktív 62

Vezetékek árnyékolása

• • • • Mágneses árnyékolás Földelt árnyékolás Védő árnyékolás Sodrott érpár 63

http://www.testequipmentdepot.com/applicati on-notes/pdf/safety/abcs-of-multimeter safety_an.PDF

Műszerek védelmi kategóriái

64

65

66

Törvény

• • Ki szerelhet villamos berendezéseket?

Mérnökinformatikus NEM!

http://www.complex.hu/jr/gen/hjegy_doc.cgi?doc

id=A1000021.NFG

67

Érintésvédelem

• • • • 1. érintésvédelmi osztály – védőföldelés Mindig földelni kell 2. érintésvédelmi osztály – kettős szigetelés A megérinthető részek vagy műanyagból vannak, vagy a fémrészeken nem lehet veszélyes feszültség (meghibásodás esetén sem).

3. érintésvédelmi osztály – törpefeszültség 50 V alatti feszültség.

Leválasztó transzformátor ( ⇒ földfüggetlen) http://megaohm.hu/index.php/erintesvedelem/erintesvedelmi-osztalyok 68

Műszerek biztonsága

• Védelem – Ember – Műszer • • Túlfeszültség – – Berendezések által kelltet Villámok Rövidzár / túláram 69

Védelmi kategóriák

70

Védelmi kategóriák

Kategória

CAT IV CAT III CAT II CAT I • • • • • • • •

Alkalmazás

3 fázisú áram Kültéri vezetékek Nagyteljesítménű beltéri berendezések Világítás, konnektorok Hordozható berendezések Hosszabbítók Védett elektromos berendezések (transzformátor után) Alacsony energiájú nagyfeszültségű rendszerek 71

Kategóriák tesztelése

Kategória

CAT I CAT I CAT II CAT II CAT III CAT III CAT IV

Üzemi feszültség

600 V 1000 V 600 V 1000 V 600 V 1000 V 600 V

Impulzus (20 mérés)

2500 V 4000 V 4000 V 6000 V 6000 V 8000 V 8000 V

Forrás ellenállása

30 Ω 30 Ω 12 Ω 12 Ω 2 Ω 2 Ω 2 Ω 72

Multiméter bemenetének védelme

73

Védelem?

74

ESD védelem

• ESD védelem (statikus feltöltődés ellen) 75

IP védelem

• • Műszer védelme a külső behatásokkal szemben Példa: IP67 76

Első számjegy:

• • • • • • • Érintés és idegen test behatolása elleni védettség 0: nincs védettség 1: >50 mm (nagyobb testrészek) 2: >12,5 mm (újjak) 3: >2,5 mm (szerszámok) 4: >1 mm (csavarhúzók, vezetékek) 5: A bejutó por nem akadályozhatja az eszköz működését 6: Nem juthat por az eszközbe 77

Második számjegy:

• • • • • • • • Víz behatolása elleni védettség 0: nincs védettség 1: Függőlegesen csöpögő víz elleni védettség ...

4: Védelem fröccsenő víz ellen 5: Védelem vízsugár ellen 6: Védelem erős vízsugár ellen 7: Vízállóság 1 m mélységig (30 percig) 8: Vízállóság 1 m mélységig, tetszőleges ideig A bejutó víz nem akadályozza az eszköz működését 78

Analóg multiméterek

79

80

Digitális multiméterek

81

Multiméterek blokkdiagramja

82

Multiméter kapcsolási rajza

http://www.elenco.com/admin_data/pdffiles/M2666K.pdf

83

Bemeneti feszültségosztó

• • A bemenő impedancia méréshatártól függetlenül állandó Értéke: 10 MΩ (olcsó multiméterek: 1 MΩ) 84

Áramerősség mérése

• A műszer belső ellenállása méréshatárfüggő 85

Gazdaságos multiméterek

• • • Ár: 1000 Ft 3,5 digit NEM MEGBÍZHATÓ!

– – Elem lemerülés jelzése?

Kontaktusok minősége?

86

Multiméterek tulajdonságai

• • • Minőség – Aranyozott csatlakozók, kapcsolófelületek – – Elemlemerülés kijelzése Megbízhatóság, gyártó Digitek száma, felbontás – Pl. 3,5; 4,5 Pontosság, reprodukálhatóság – Függ a méréshatártól (pl. 0,5 % ± 2 dg) 87

A digit jelentése

• • 3,5 digit: kijelzett érték: -1999 – +1999 (3,75 digit ⇒ kijelzett érték: -3999–+3999) Példa pontosság számolására – – – – – Méréstartomány: 200 kΩ Felbontás: 0,1 kΩ Pontosság: ±(1,2%+3 d) Mért érték: 85,3 kΩ Maximális hiba: 85,3 kΩ ∙ 0,012 + 0,1 kΩ ∙ 3 88

Műszerek tulajdonságai

• Belső ellenállás – – Feszültség mérése 𝑅 M Áramerősség mérése = 10 MΩ 𝑈 M < 0,3 V 89

További szolgáltatások

• • • • • • Automatikus kikapcsolás Szakadásvizsgáló (rövidzárlatok keresése) – Reakcióidő?

Automatikus méréshatárváltás Max / Min / Memória True RMS AC frekvenciatartomány 90

További szolgáltatások

• • • • • • • • Frekvencia mérése Kapacitás mérése Tranzisztor vizsgálata Hőmérséklet mérése 4-20 mA-es jeladók fogadása Logikai jelek vizsgálata Háttérvilágítás PC kapcsolat 91

Példák multiméterekre

92

METEX M3800

• • • • 18 000 Ft 3,5 digit DC feszültség 200m/2/20/200V/ 1000V; ±(0.5%+1d) AC feszültség 200m/2/20/200V/ 750V; ±(0.5%+1d) 93

METEX M3800

• • • • DC áram 200µ/2m/20mA/200mA/20A; ±(1.2%+1d) 10 A-es méréshatár 15 s-ig használható AC áram 200µ/2m/20mA/200mA/20A; ±(1.8%+3d) Ellenállás 200/2k/20k/200k/2M/20M ; ±( 1.0%+2d) Diódavizsgálat, tranzisztorvizsgálat, szakadásvizsgálat 94

UNI-T UT60H • • • • 28 000 Ft 4,75 digit DC feszültség 4/40/400V/ 1000V; ±(0.1%+5d) AC feszültség 4/40/400V/ 750V; ±(1%+3d) 95

UNI-T UT60H • • • • • DC / AC áram: 400µ/4m/40mA/400mA/10A; ±( 0.8%+10d) 10 A-es méréshatár 15 s-ig használható Ellenállás, kapacitás, frekvenciamérés Hőmérsékletmérés, 4-20 mA áramhurok Dióda-, tranzisztor- és folytonosságvizsgálat AC frekvenciatartomány: 45Hz–1kHz 96

Fluke 177 • • • • 85 000 Ft 3,75 digit DC feszültség 0,6 V ... 1000V; ±(0.1%+2d) AC feszültség 0,6 V ... 1000 V; ±(1%+3d) 97

Fluke 177 • • • • • • DC / AC áram: 60 mA ... 10A; ±( 1%+3d) 10 A-es méréshatár is védett!

Ellenállás, kapacitás, frekvenciamérés Dióda-, és folytonosságvizsgálat True-RMS AC frekvenciatartomány: 45Hz–1kHz CAT III 1000 V, CAT IV 600 V 98

Lakatfogó multiméter

• • Áramerősség mérése az áramkör megszakítása nélkül AC/DC mágneses tér 99

Asztali multiméterek

• • • Ár: 100 000 Ft – 500 000 Ft Nagy pontosság, felbontás, reprodukálhatóság Négypontos mérések 100

Agilent 34410A

• • • • • • 6,5 digit felbontás (1 000 minta/s) 5,5 digit felbontás (10 000 minta/s) LAN, USB, GPIP kapcsolat 50 kΩ adatlogger DC feszültségmérés: 0,003% pontosság 10 MΩ vagy 10 GΩ bemenő impedancia AC feszültségmérés: 0,06% pontosság 300 kHz sávszélesség Ellenállás mérése: 2 pontos/4 pontos 100... 1MΩ : 0,01% pontosság 1GΩ : 8% pontosság 101

Agilent 34461a

102

DC / AC feszültség mérése

• • • • Méréshatár: automatikus / manuális Apertura: mérési idő Input Z: 10 Mohm / > 10 Gohm AC feszültség szűrő: > 20 Hz; > 200 Hz 103

Áram mérése

• Külön csatlakozó a 10 A méréshatárhoz 104

Ellenállás mérése

• Alacsony értékű ellenállások mérése: 4 pontos ellenállásmérés 105

Funkciók

• • Probe Hold: A multiméter megjegyzi a stabil értékeket Math: null, dB, statistics 106

Funkciók

• • Limits: Küszöbszintek figyelése Histogram: Eloszlás vizsgálata 107

RLC-mérők

• • Induktivitás/kapacitás mérése Különböző paraméterek (veszteség...) mérése 108

Source Meter

• • Ellenállás/vezetőképesség mérése Pontosan szabályozható áram/feszültség 109

Tápegységek

110

Adapterek

111

Tápegységek

112

Laboratóriumi tápegységek

• • • Tesztelés alatt álló áramkör tápfeszültségének biztosítása Védelem – – – Túláram Túlfeszültség Rövidzár Mérés – – Áramfelvétel Fogyasztás 113

Tenma 72-6615

• • • 2x 0-30V 3A – áramgenerátor / feszültséggenerátor üzemmód – áramerősség és feszültség mérése 5 V 3A ~ 100 eFt 114

Hameg HMP2030 • • • • • 3 x 0..32V/0..5A, max. 188W 1 mV-os, 0,1 mA-es felbontás Túláram-védelem („FuseLink”) Programozható, PC kapcsolat 450 000 Ft 115

Rigol DP832A

• • • • • 2 x 0..30V/0..3A; 0..5V/0..3A, max. 195W 1 mV / mA-es felbontás (mérés: 0,1 mV / mA) Túláram-védelem, Programozható, PC kapcsolat DP832: szoftveresen „butított” változat 180 000 Ft 116

Kijelzés

117

Jelalakok vizsgálata

118

Programozás

119

Agilent N6705B DC Power Analyzer

• • • • 4 modul, akár 100 V, 100 W Beépített oszcilloszkóp, jelgenerátor Programozható, PC kapcsolat ~ 2 000 000 Ft 120

Tápegységek tulajdonságai

• • • • Megbízhatóság Védelem Maximális teljesítmény / áram Működés: – – Stabilitás Bekapcsolási tranziensek 121

Köszönöm a figyelmet

... vége ...

122