Číslicové měřicí přístroje Střední odborná škola Otrokovice Číslicové měřicí přístroje Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je Ing. Miloš Zatloukal Dostupné z Metodického portálu www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR. Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze. www.zlinskedumy.cz

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 slova Měřicí přístroj, MP, AMP, ČMP, analogový, číslicový, bargraf, rozlišovací schopnost, citlivost, vstupní impedance, multimetr, Sample, Hold, teplota, frekvence, čítač, autokalibrace, autotesty Datum 4. 2. 2013

Číslicové měřicí přístroje Náplň výuky - analogové měření a zobrazení - číslicové měření a zobrazení - základní parametry číslicových měřicích přístrojů - příklad číslicového měřicích přístroje – multimetr

Číslicové měřicí přístroje Použité zkratky: MP = měřicí přístroj AMP – analogový měřicí přístroj ČMP – 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 údaj Výhodou 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

Základní parametry číslicových měřicích přístrojů - počet míst číslicového zobrazovače od 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

106 paralelně s kapacitou asi 40 pF při měření střídavého napětí Základní parametry číslicových měřicích přístrojů – pokračování - vstupní impedance bývá 107 až 109 Ω pro stejnosměrná měření, 106 paralelně s kapacitou asi 40 pF při měření střídavého napětí čím 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 měření počet 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)

Multimetr - 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 – pokračování 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 – blokové schéma Obr. 3

Multimetr – pokračování 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 - bargraf grafické 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 multimetr Pozn.: přesnost je vyjádřena chybou z naměřené hodnoty (z měření) a z rozsahu – vše v procentech Měří - stejnosměrné napětí Rozsahy:  100 mV až 1 000 V Max. rozlišení:  100 nV Přesnost: 0,0024 + 0,0005 (% z naměř. hodnoty + % z rozsahu) - střídavé napětí Přesnost: 0,06 + 0,03 % Frekvence: 3 Hz až 300 kHz - odpor Rozsahy:  10 Ω až 1 GΩ Max. rozlišení:  10 µΩ Přesnost: 0,010 + 0,001 %

Multimetr Fluke 8846A – pokračování Dále měří - stejnosměrný proud Rozsahy:  100  µA až 10 A Max. rozlišení:  100 pA Přesnost: 0,050 + 0,005 % - střídavý proud Rozsahy:  100 mA až 10 A Přesnost: 0,10 + 0,04 % Frekvence: 3 Hz až 10 kHz - kapacita kondenzátoru Rozsahy:  1 nF až 0,1 F Max. rozlišení:  1 pF Přesnost: 1 % - frekvence (perioda) Teplota Rozsahy:  3 Hz až 1 MHz Rozsahy:  -200 až +600 °C Max. rozlišení:  1 µHz Max. rozlišení:  0,01 °C Přesnost: 0,01 % Přesnost: 0,06 °C Snímač: platinový

Multimetr Fluke 8846A Obr. 4

Kontrolní otázky 6,5 místný číslicový voltmetr zobrazí na displeji 199 V takto: 199,0000 V 199,000 V 199,00 V Na parametr počet měření za jednotku času (typicky za 1 sekundu) má vliv: Typ veličiny, kterou měříme (U, I, R) Provedení číslicového měřicího přístroje Typ A/Č převodníku v číslicovém měřicím přístroji použitý Programovatelnost číslicového měřicího přístroje znamená: Možnost manuálního nastavení různých funkcí Možnost zapojit jej do automatizovaného měřicího řetězce (řízeného např. počítačem) Možnost na něm spustit některý z programů

Kontrolní otázky – správné odpovědi – červeně 6,5 místný číslicový voltmetr zobrazí na displeji 199 V takto: 199,0000 V 199,000 V 199,00 V Na parametr počet měření za jednotku času (typicky za 1 sekundu) má vliv: Typ veličiny, kterou měříme (U, I, R) Provedení číslicového měřicího přístroje Typ A/Č převodníku v číslicovém měřicím přístroji použitý Programovatelnost číslicového měřicího přístroje znamená: Možnost manuálního nastavení různých funkcí Možnost zapojit jej do automatizovaného měřicího řetězce (řízeného např. počítačem) Možnost na něm spustit některý z programů

Seznam obrázků: Obr. 1: vlastní, foto, analogový panelový voltmetr střídavý Obr. 2: vlastní, foto, číslicový klešťový ampérmetr-voltmetr Obr. 3: vlastní, blokové schéma multimetru Obr. 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 