2. Měření napětí, proudu a kmitočtu

Transkript

1 . Měření napěí, prod a kmioč Číslicový volmer a mlimer Analogové měřicí přísroje Číač přednášky AB8SME Senzory a měření zdroje převzaých obrázků: pokd není vedeno jinak, zdrojem je monografie Haasz, Sedláček: Elekrická měření a skripa Ripka, Ďaďo, Kreidl, Novák: Senzory. Ripka AB8SME přednáška

2 Sejnosměrný volmer a ampérmer deální volmer: R i = Realizace: - číslicový volmer - analogový volmer deální ampérmer: R i = 0 Realizace: - s bočníkem - elekronický - analogový (elekromechanický) - bezkonakní (magneický) Jak změřím vspní odpor volmer a ampérmer? AB8SME přednáška

3 Sejnosměrný číslicový volmer = základ mlimer A/D převodník s vícesklonno inegrací Zdroj referenčního napěí Mikropočíač Display Vspní odporový dělič ro x < mv vspní zesilovač DCV = sejnosměrné napěí Viz Haasz, Sedláček: Elekrická měření, sr AB8SME přednáška

4 Mlimer: měření ss napěí (DCV) Viz Haasz, Sedláček: Elekrická měření, sr AB8SME přednáška 4

5 Změna rozsah volmer číslicových: pro > cca 0 V odporový dělič analogových: předřadným odporem ro < mv: Napěťový zesilovač: aomaicky nlovaný (korekce offse) podrobně viz další přednášky Viz schemaa na abli AB8SME přednáška 5

6 Jak mlimer měří ss prod (DC) běžných přísrojů: prodový bočník ikoampermery: / převodník Exerní bezkonakní prodové sondy Viz Haasz, Sedláček: Elekrická měření, sr AB8SME přednáška 6

7 rodový bočník Nejjednodšší převodník prod-napěí Nevýhody: není galvanicky oddělen ohřev měřený prod je nno přerši výs Čyřsvorkové připojení: eliminje vliv odpor přívodů a přechodových odporů svorek Viz Haasz, Sedláček: Elekrická měření, sr AB8SME přednáška 7

8 Ampérmer změna rozsah m R R R R m m ADC R Viz Haasz, Sedláček: Elekrická měření, sr. 7 měření malých a velkých prodů - podrobněji na další přednášce AB8SME přednáška 8

9 Jak mlimer měří sř. napěí (ACV) AC DC převodníky: Neřízený směrňovač: pasivní nebo akivní (pozor pro nesinsové průběhy) nejlevnější mlimery měří sřední hodno, jso však kalibrovány v efekivních hodnoách pro harmonický (sinsový) průběh Tre rms převodník viz příší přednáška (Řízený směrňovač... Nepožívá se v mlimerech) Viz Haasz, Sedláček: Elekrická měření, sr odrobněji později AB8SME přednáška 9

10 Měření sřední hodnoy Opakování z ABEO Elekrické obvody a prvky Viz Haasz, Sedláček: Elekrická měření, sr Akivní zapojení polačje nelineari diod AB8SME přednáška 0

11 Opakování AB8SME přednáška

12 Co ješě měří číslicový mlimer AC a DC napěí a prody Další veličiny: Časo C, diodový es, zkošečka R dvovodičově i čyřvodičově Někdy eploa (s exerním senzorem) Fnkce: Nlování, průměrování Běžně aorange řipojení k počíači AB8SME přednáška

13 Analogové měřicí přísroje Magneoelekrické úsrojí Feromagneické (elekromagneické) úsrojí Elekrodynamické úsrojí Elekrosaický volmer Zásadní výhoda: nepořebjí zdroj energie (kom se vybila baerie v mlimer? AB8SME přednáška

14 Magneoelekrické úsrojí rčka magne horní pržina násavec Fe jádro dolní pržina nosník F Bl F F F d p p k d k F p D k k p d roblém: odpor cívky Viz Haasz, Sedláček: Elekrická měření, sr AB8SME přednáška 4

15 Magneoelekrický přísroj s směrňovačem Nelineární charakerisika diod zejména v oblasi malých prodů. Msí se polači seriovým odporem R s Měření sřední hodno, cejchováno v efekivní hodnoě pro sinsový průběh Spnice nelineární v počák, různé rozsahy = různé spnice Volmery cca do 000 V Ampérmery cca do 0 A pro vyšší rozsahy napěťový resp. prodový ransformáor (viz 5. předn.) nebo odporový bočník Výhoda: sále nepořebji baerii Sejný rik se požívá i pro číslicové mlimery nejnižší řídy Viz Haasz, Sedláček: Elekrická měření, sr AB8SME přednáška 5

16 Feromagneické (elekromagneické) úsrojí Elekromagneický volmer: R p R V =R +R m Změna rozsahů: R Viz Haasz, Sedláček: Elekrická měření, sr. 4-6 R m, L m R V Lm Silná kmiočová závislos AB8SME přednáška 6

17 Bimealové úsrojí měří efekivní hodno prod prosřednicvím jeho epelných účinků = R eploměrným čidlem je bimeal (dvojkov), přímo spojený s rčičko bimealický pásek je zhoovený ze dvojice pevně spojených kovových maeriálů s rozdílným eploním sočinielem rozažnosi pro zvýšení cilivosi bývá bimealový pásek sočen do spirály nebo šrobovice bimealových senzorů se nejčasěji vyžívá i pro měření i přímo dvopolohovo reglaci eploy AB8SME přednáška 7

18 Hisorie? Elekrodynamické úsrojí F i i Wamery dříve vyrobené, keré jso však sále běžně požívané Viz Haasz, Sedláček: Elekrická měření, sr AB8SME přednáška 8

19 Hisorie: Elekrosaické úsrojí ožívalo se na měření vysokého napěí AB8SME přednáška 9

20 Číač: měření kmioč vspní signál úroveň Viz Haasz, Sedláček: Elekrická měření, sr. 0-0 signál za TO AB8SME přednáška 0

21 Číač: měření doby periody T X = N T N = N / fn; f X = / T X Rozlišeni: Δ / T X = / f N (f N = 0 MHz Δ/T X = 0, μs) Režim přepoč z doby periody je vhodný pro f X < 0 khz Měření periody s průměrováním Měření doby n period (n = 0k) rozlišení sopne n-krá kolísání se planí n-krá méně (průměrování), doba periody se rčí posním deseinné čárky vlevo o k pozic Viz Haasz, Sedláček: Elekrická měření, sr AB8SME přednáška

22 Měření fázového rozdíl Měření číačem Měření z časového průběh na osciloskop Měření fázově cilivým deekorem (viz dále) Viz Haasz, Sedláček: Elekrická měření, sr AB8SME přednáška

23 Řízený směrňovač: je fázově cilivý řidáme-li na výsp dolnofrekvenční filr, získáme fázový deekor (zv. synchronní deekor) (SD = hase Sensiive Deecor, SD = Synchronos deecor, éž Lock-in zesilovač) AB8SME přednáška k k k k ř m ř ř sin liché pro sin 4 amplido s obdél níky složky sř složky sř k k k k k k.. cos cos cos 4 cos cos 4 0 m m m Viz Haasz, Sedláček: Elekrická měření, sr. 6, 97-8

24 Vekorvolmer o odfilrování sřídavých složek dolnofrekvenční propsí je ss. napěí,0 na výsp ř.. úměrné reálné složce měřeného fázor vůči referenci r. osneme-li řídící napěí o 90 0 (/), odpovídá ss. napěí,90 složce imaginární. Viz Haasz, Sedláček: Elekrická měření, sr. 97-8

25 Chyby a nejisoy (opakování z fyziky) Adiivní chyba (posv nly, offse): absolní chyba je konsanní Mliplikaivní chyba (chyba konsany, chyba zesílení): relaivní chyba je konsanní ozor na chyb v % FS (procenech z rozsah). Je o adiivní chyba, proo je při měření řeba nasavi správný rozsah! Další chyby: linearia, hysereze, reprodkovaelnos Viz Haasz, Sedláček: Elekrická měření, sr AB8SME přednáška 5

26 Mliplikaivní chyba AB8SME přednáška 6

27 Chyba lineariy AB8SME přednáška 7

28 Hysereze yh y y y y max min max AB8SME přednáška 8

29 Opakování: Nejisoy měření Sandardní nejisoy yp A (označení A ) - jso sanoveny z výsledků opakovaných měření saisicko analýzo série naměřených hodno, - jejich příčiny se považjí za neznámé a jejich velikos klesá s počem měření Sandardní nejisoy yp B (označení B ) - jso získány jinak než saisickým zpracováním výsledků opakovaných měření - jso vyhodnoceny pro jednolivé zdroje nejisoy idenifikované pro konkréní měření a jejich hodnoy nezávisí na poč opakování měření - pocházejí od různých zdrojů a jejich společné působení vyjadřje výsledná sandardní nejisoa yp B. Kombinovaná sandardní nejisoa C : Viz Haasz, Sedláček: Elekrická měření, sr AB8SME přednáška 9

30 Opakování: Nejisoy měření rčení sandardní nejisoy yp B: veličiny mající rovnoměrné rozdělení v inerval o šířce x v jehož sřed x leží výsledek měření veličiny x (j. všechny hodnoy éo veličiny leží v inerval xokolo výsledk měření) je rovna x (pravděpodobnos, že x v inerval x ± leží skečná hodnoa veličiny x je 58%), [ x ( x)] D 4x x x D f(x) x 58 % x - x x xx x x Časý předpoklad pro složky sandardní nejisoy yp B ozn: ozor na inerpreaci symbol x ve Sdijním ex pro fyzikální prakikm M. Červenka: Zpracovani fyzikalnich měřeni, kap.. x Viz Haasz, Sedláček: Elekrická měření, sr AB8SME přednáška 0

31 Opakování: Nejisoy měření rčení sandardní nejisoy yp B: Rčkové přísroje: B T /00 M kde M je hodnoa měřicího rozsah a T řída přesnosi Číslicové přísroje: B σ X 00 X 00 M B σ X 00 X N R kde je chyba z odečené hodnoy je chyba z rozsah X je odečená hodnoa M je měřicí rozsah kde je chyba z odečené hodnoy chyba z rozsah je daná počem kvanizačních kroků ±N X je odečená hodnoa R je rozlišení Viz Haasz, Sedláček: Elekrická měření, sr AB8SME přednáška

32 Opakování: Nejisoy měření říklad výpoč nejisoy měření číslicovým mlimerem: Ovlivňjící veličina (eploa) je v rozsah hodno definovaných výrobcem Měření prod: požiý rozsah M = 00 ma; ± 0, % z odečené hodnoy ± 0,05 % z rozsah. X = 60,0 ma (údaj přísroje se při opakovaných měřeních neměnil poze nejisoy yp B) rčení sandardní nejisoy yp B: 00 B X M 00 0, 00 0,05 60, Výsledek včeně rozšířené nejisoy s koeficienem rozšíření k r =: x = 60,0 ma ± 0,8 ma; k r = popř. x = 60,0 ma ± 0, %; k r = 0,06 0, 0,09 (ma) ožiý rozsah M = 00 ma; ± 0, % z odečené hodnoy ± digiy; 4-mísný zobrazovač X = 60 ma (údaj přísroje se při opakovaných měřeních neměnil poze nejisoy yp B) rčení sandardní nejisoy yp B: B 00 X N R 0, 00 60, ,06 0, 0,5 (ma) Výsledek včeně rozšířené nejisoy s koeficienem rozšíření k r =: x = 60,0 ma ± 0,0 ma; k r = popř. x = 60,0 ma ± 0,5 %; k r = AB8SME přednáška

33 Opakování: Nejisoy měření Vyhodnocení nejiso nepřímých měření Nepřímá měření jso měření, kerých se měřená veličina y vypočíá pomocí známé fnkční závislosi z n veličin x i, rčených přímým měřením y f x, x,..., x ) ( N Zákon šíření nejiso v případě, že vspní veličiny nejso mezi sebo korelovány, je dán vzahem kde y N i f x i xi y je kombinovaná sandardní nejisoa veličiny y xi sandardní kombinované nejisoy měřených veličin x i. Viz Haasz, Sedláček: Elekrická měření, sr AB8SME přednáška

34 Opakování: Nejisoy měření AB8SME přednáška : Čísl. volmer, rozsah 00 mv; ±0, % z odečené hodnoy ±0,05 % z rozsah; = 50 mv; říklad výpoč nejisoy měření odpor Ohmovo meodo, R X = / : 0, % 0,4 mv 0, 0, , , : Mgel ampérmer, rozsah, A; T = 0,5; = 0,4 A 0,87 % 0,004 A 00, 0,5 Sandardní nejisoa měření odpor:, m ) / ( ) / ( x X x f m i i i R Sandardní nejisoa měření odpor vyjádřená v relaivním var: 0,88% 0,87 0, 00 / / X X R R Výsledek včeně rozšířené nejisoy s koeficienem rozšíření k r =: R X = / = 0,5/0,4 = 0,750 ±6,4 m; k r = popř. R X = 0,750 ±,7 %; k r =

35 Opakování: Nejisoy měření AB8SME přednáška říklad výpoč nejisoy měření výkon v -fázové síi, X = + + : Wamery: Rozsah 400 W; T = 0,5; = 600 W, = 00 W, = 000 W W 6, ,5 Sandardní nejisoa měření výkon v -fázové síi řemi wamery: x ) ( ) ( ) ( X m i i i x f W Výsledek včeně rozšířené nejisoy s koeficienem rozšíření k r =: X = + + = 4800 W ± 4 W; k r = popř. X = 4800 W ± 0,5 %; k r =

36 Základní paramery senzorů cilivos a její sabilia (mliplikaivní chyby), dynamický rozsah (rozsah měřených veličin pro specifikovano nejiso měření), offse a jeho sabilia (adiivní chyby), linearia, hysereze, reprodkovaelnos, rozlišielnos (a šmové charakerisiky), celková přesnos vyjádřená jako nejisoa nebo oleranční pásmo (maximální chyba), dynamické paramery (časová konsana, šíře pásma, rychlos číslicového přenos), odolnos vůči prosředí (vibrace, magneické pole, radiace,...) AB8SME přednáška 6

37 Dynamické paramery senzorů Základní definice viz. přednáška předmě AB5AR Aomaické řízení Časová konsana Doba odezvy řenos Dopravní zpoždění (A=kons, φ= ω) Dynamická chyba Odezva na skok, even. na konsanní rychos změny AB8SME přednáška 7