Číslicové měřicí přístroje

Střední odborná škola Otrokovice

www.zlinskedumy.cz

Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je Ing. Miloš ZatloukalDostupné z Metodického portálu www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR.

Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze.

Charakteristika DUM 1

Název školy a adresa Střední odborná škola Otrokovice, tř. T. Bati 1266, 76502 Otrokovice

Číslo projektu CZ.1.07/1.5.00/34.0445 /3

Autor Ing. Miloš Zatloukal

Označení DUM VY_32_INOVACE_SOSOTR-El-EM/3-EL-1/14 Název DUM Číslicové měřicí přístroje

Stupeň a typ vzdělávání Středoškolské vzdělávání

Kód oboru RVP 26-51-H/01

Obor vzdělávání Elektrikář

Vyučovací předmět Elektrická měření

Druh učebního materiálu Výukový materiál

Cílová skupina Žák, 17 – 18 let

Anotace Výukový materiál je určený k frontální výuce učitelem, případně jako materiál pro samostudium, nutno doplnit výkladem; náplň: přehled základních číslicových měřicích přístrojů

Vybavení, pomůcky Dataprojektor

Klíčová slovaMěřicí přístroj, MP, AMP, ČMP, analogový, číslicový, bargraf, rozlišovací schopnost, citlivost, vstupní impedance, multimetr, Sample, Hold, teplota, frekvence, čítač, autokalibrace, autotesty

Datum 4. 2. 2013

Náplň výuky

- analogové měření a zobrazení

- číslicové měření a zobrazení

- základní parametry číslicových měřicích přístrojů

- příklad číslicového měřicích přístroje – multimetr

Číslicové měřicí přístroje

Číslicové měřicí přístroje

Použité zkratky:MP = měřicí přístrojAMP – analogový měřicí přístrojČMP – číslicový měřicí přístroj

Srovnání analogového a číslicového (měření a zobrazení)

Analogové měření - výsledek je ovlivněn základní chybou MP

(ta závisí na třídě přesnosti MP – značí se δTP

- Další chyby vznikají působením měřitele – pozorovatele – člověka

Analogové měření Jaké chyby může člověk při měření pomocí AMP udělat:- zvolí nesprávný rozsah – zbytečně velký (netýká se automatické volby rozsahu)- MP neumístí do správné polohy- odečítá chybně z číselníku na stupnici MP(pozoruje pod úhlem, domýšlí číselnou hodnotu mezi dílky, …)

Člověk převádí výchylku ukazatele na stupnici na číselný údaj (zastává tedy úlohu A/Č převodníku)

Výchylka MP při měření se mění plynule (spojitě) – nikoliv po skocích

Analogové zobrazení- mechanickým ukazatelem – ručkou- světelným ukazatelem – paprskem světla- LCD páskem z dílků – bargraf – u ČPM jako doplňující údajVýhodou analogového zobrazení je rychlá (přibližná) orientace o hodnotě a hlavně trendu měřené veličiny (roste, je konstantní, klesá) v čase

Číslicové měření - jde o přímou náhradu analogového měření- ČMP obsahuje A/Č převodník

K jakým chybám dochází při číslicovém měření ?- základní chyba vzniká při A/Č převodu (do jedné z N (N= 2n – 1) napěťových hladin je nutné umístit měřenou veličinu, přitom dojde k chybě zaokrouhlením hodnoty – kvantizací)n = počet bitů A/Č převodníku – čím více bitů – 8, 10, 12, 16 – tím více hladin a tedy menší chyba zaokrouhlení

- z chyb obsluhy zůstává při ruční volbě možnost nastavení nevhodného rozsahu(samotné přečtení čísla je bezchybné)

Výchylka MP při měření se mění po malých kvantech – skocích (nespojitě)

Číslicové (digitální) zobrazení – na zobrazovači – displeji- vícemístný sedmisegmentový zobrazovač s LED- vícemístný sedmisegmentový zobrazovač typu LCD(doplňující údaj – páskem z dílků – bargraf – u ČPM – nejčastěji u LCD)Výhodou číslicového zobrazení je rychlá (a přesná) orientace o ustálené hodnotě

Ukázka analogového a číslicového zobrazení

Obr. 1 Obr. 2

- počet míst číslicového zobrazovačeod 2 do 8, používá se i „půlté“ místo – jednička (např. 3,5 místný = max. zobrazená hodnota je 1999)souvisí s rozlišovací schopností a přesností ČMP

- rozlišovací schopnost (Resolution)nejmenší změna měřené veličiny, kterou přístroj zobrazí jako změnu o jedničku

- přesnost (Accuracy)je deklarována výrobcem pro různé veličiny, různé rozsahy a různá kmitočtová pásma

- citlivost (Sensitivity)nejmenší hodnota veličiny, kterou přístroj změří – na kterou reaguje, u stejnosměrného voltmetru jde o rozlišovací schopnost na nejnižším rozsahu

Základní parametry číslicových měřicích přístrojů

- vstupní impedancebývá 107 až 109 Ω pro stejnosměrná měření,106 paralelně s kapacitou asi 40 pF při měření střídavého napětíčím vyšší hodnota, tím menší zátěž měřeného obvodu

- měřicí rozsahy- typ měřené veličiny (U, I, R, C, f, T, …)- počet rozsahů (4 až 6)- hodnoty rozsahů- přepínání rozsahů (manuální, automatické)

Př. ČMP – měření stejnosměrného napětí – 5 rozsahů 200 mV, 2 V, 20 V, 200 V, 1000 V

- typ A/Č převodníku (např. integrační, aproximační, sigma – delta, …)

Základní parametry číslicových měřicích přístrojů – pokračování

- rychlost měřenípočet měření za sekundu, bývá od 1/s po 10 000/s- automatické funkce

- volba rozsahu- autokalibrace (aut. korekce analogových vstupních obvodů přístroje)- automatický diagnostický test (po zapnutí přístroje)

- časová stálost(jak dlouho výrobce zaručí deklarované parametry přístroje – základním je přesnost po kalibraci – 24 h, 3 měsíce, 1 rok)- programovatelnost

- schopnost přístroje umožnit propojení do automatizovaného měřicího systému

- souvisí úzce s jeho konektivitou – zda má rozhraní pro připojení PC nebo dalších měřicích přístrojů (RS 232C, IrDa, USB, LAN – Ethernet, GPIB – IEEE488)

Základní parametry číslicových měřicích přístrojů – pokračování

- jde o kombinovaný měřicí přístroj pro měření více veličin - alespoň tří (napětí U, proud I, odpor R), ale častěji i více- základní provedení

- ruční – kapesní – malý, odolný, pohotovostní přístroj určený pro časté přenášení, měření více veličin v jednom přístroji výhodné (např. nepotřebujeme 3 různé přístroje pro měření např. U, I, R)

- laboratorní – stolní – větší, s větším počtem míst na displeji a s vyšší přesností měření, není tak mobilní, není tak robustní konstrukce

Čím se multimetry od sebe liší?- provedením a měřenými veličinami- měřicími rozsahy a přesností měření- nabízenými funkcemi- odolností vůči vnějším vlivům- komfortem obsluhy- cenou

Multimetr

Multimetr měří obvykle tyto elektrické veličiny:- napětí – U [V]- proud – I [A]- odpor – R [Ω]

Další veličiny, které moderní multimetry měří:Kapacita – C [F] (kapacita kondenzátoru)Teplota – T [°C]Frekvence – f [Hz]střída pulzu [%]vodivost – G [S]indukčnost – L [H]

Multimetr – pokračování

Multimetr – blokové schéma

Obr. 3

Princip číslicového multimetru - měřený signál je převeden na napětí (platí pro jiné veličiny než napětí)- dále je zesílen elektronickým zesilovačem na požadovanou úroveň(naopak větší napětí je zmenšeno napěťovým děličem, střídavé je usměrněno)- následuje převod napětí na číslo v A/Č převodníku- zobrazení výsledku na číslicovém zobrazovači (displeji)

Řídicí obvody multimetru- jsou důležitou součástí multimetru - prošly vývojem, který dospěl k větší integraci a specializaci (od logických členů typu AND, OR apod. až k jednočipovým mikropočítačům)Specializací se rozumí skutečnost, že mikropočítačů je v multimetru obvykle několik – každý je zaměřen na určitou oblast činnosti.

Díky aplikaci mikropočítačů v multimetru jsou tyto přístroje vybaveny mnoha funkcemi, které činí práci s nimi komfortnější.

Multimetr – pokračování

Které funkce má multimetr díky zabudovaným jednočipovým mikropočítačům?- Automatická změna rozsahu (lze ji ale vypnout – přejít tak na ruční režim) (pro co nejpřesnější měření bez přetížení přístroje)- tlačítka SAMPLE a HOLD slouží k uchování poslední měřené hodnoty v paměti- ukládání měřené veličiny do paměti v nastaveném časovém intervalu s vyhodnocením min., max. a průměrné hodnoty- bargrafgrafické zobrazení naměřených hodnot jako sloupcový graf- tester vodivosti – signalizuje, (i zvukově), zda testované body vodivě spojeny- měření teploty (vyžaduje příslušný teplotní snímač)- měření frekvence a periody – čítač impulsů (menší rozsah asi do 100 – 200 kHz)- další automatické funkce (autokalibrace, autotesty, …)- programovatelnost (přenos naměřených dat, propojení s PC a jinými přístroji)

Multimetr – pokračování

Příklad stolního multimetru: Fluke 8846A – přesný laboratorní 6,5 místný multimetrPozn.: přesnost je vyjádřena chybou z naměřené hodnoty (z měření) a z rozsahu – vše v procentechMěří

- stejnosměrné napětíRozsahy: 100 mV až 1 000 VMax. rozlišení: 100 nVPřesnost: 0,0024 + 0,0005 (% z naměř. hodnoty + % z rozsahu)

- střídavé napětíRozsahy: 100 mV až 1 000 VMax. rozlišení: 100 nVPřesnost: 0,06 + 0,03 %Frekvence: 3 Hz až 300 kHz

- odporRozsahy: 10 Ω až 1 GΩMax. rozlišení: 10 µΩPřesnost: 0,010 + 0,001 %

Multimetr – pokračování

Dále měří- stejnosměrný proud

Rozsahy: 100 µA až 10 AMax. rozlišení: 100 pAPřesnost: 0,050 + 0,005 %

- střídavý proudRozsahy: 100 mA až 10 AMax. rozlišení: 100 pAPřesnost: 0,10 + 0,04 %Frekvence: 3 Hz až 10 kHz

- kapacita kondenzátoruRozsahy: 1 nF až 0,1 FMax. rozlišení: 1 pFPřesnost: 1 %

- frekvence (perioda) TeplotaRozsahy: 3 Hz až 1 MHz Rozsahy: -200 až +600 °CMax. rozlišení: 1 µHz Max. rozlišení: 0,01 °CPřesnost: 0,01 % Přesnost: 0,06 °C

Snímač: platinový

Multimetr Fluke 8846A – pokračování

Multimetr Fluke 8846A

Obr. 4

Kontrolní otázky

1. 6,5 místný číslicový voltmetr zobrazí na displeji 199 V takto:a) 199,0000 Vb) 199,000 Vc) 199,00 V

2. Na parametr počet měření za jednotku času (typicky za 1 sekundu) má vliv:a) Typ veličiny, kterou měříme (U, I, R)b) Provedení číslicového měřicího přístrojec) Typ A/Č převodníku v číslicovém měřicím přístroji použitý

3. Programovatelnost číslicového měřicího přístroje znamená:a) Možnost manuálního nastavení různých funkcíb) Možnost zapojit jej do automatizovaného měřicího řetězce (řízeného

např. počítačem)c) Možnost na něm spustit některý z programů

1. 6,5 místný číslicový voltmetr zobrazí na displeji 199 V takto:a) 199,0000 Vb) 199,000 Vc) 199,00 V

Kontrolní otázky – správné odpovědi – červeně

2. Na parametr počet měření za jednotku času (typicky za 1 sekundu) má vliv:a) Typ veličiny, kterou měříme (U, I, R)b) Provedení číslicového měřicího přístrojec) Typ A/Č převodníku v číslicovém měřicím přístroji použitý

3. Programovatelnost číslicového měřicího přístroje znamená:a) Možnost manuálního nastavení různých funkcíb) Možnost zapojit jej do automatizovaného měřicího řetězce (řízeného

např. počítačem)c) Možnost na něm spustit některý z programů

Seznam obrázků: Obr. 1: vlastní, foto, analogový panelový voltmetr střídavýObr. 2: vlastní, foto, číslicový klešťový ampérmetr-voltmetrObr. 3: vlastní, blokové schéma multimetruObr. 4: vlastní, foto stolního přesného multimetru Fluke 8846A

Seznam použité literatury:

[1] Vitejček, E.: Elektrické měření, SNTL, Praha, 1974

[2] Fiala, M., Vrožina, M., Hercik, J.: Elektrotechnická měření I, SNTL, Praha, 1986

Děkuji za pozornost