Milan Vůjek Elekronická měření pro aplikovanou fyziku Předkládaný kompilá je určen k výuce sudenů oboru Aplikovaná fyzika. Podává přehled o základních principech elekronických měření a problemaice měření, o realizaci jednoek elekrických veličin a hlavně o blokové savbě jednolivých přísrojů. Členění exu je podřízeno jednolivým fyzikálním veličinám, obsah je uzpůsoben předpokládaným znalosem sudenů po absolvování základního kurzu fyziky a přednášek z elekroniky. Smyslem exu je shrnou do jednoho celku, a o na úrovni vhodné pro fyziky, problemaiku měření, kerá je komplexněji zpracována v lierauře uvedené v závěru. Kaedra experimenální fyziky Univerzia Palackého v Olomouci verze z 11. října 2012 c volně šířielný ex Teno projek je spolufinancován Evropským sociálním fondem a sáním rozpočem České republiky v rámci projeku Moderní echnologie ve sudiu aplikované fyziky(cz.1.07/2.2.00/07.0018).
Obsah 1. Elekronická měření a elekronické měřicí přísroje 3 1.1. Měřicípřísroje.... 4 1.2. Ealony.... 10 1.3. Problemaikaměření.... 11 1.4. Elekronicképrvkyaobvody.... 18 2. Měření napěí 21 2.1. Referenčnízdrojenapěí.... 21 2.2. Měřenísejnosměrnéhonapěí... 25 2.3. Měřenísřídavéhonapěí.... 36 2.4. Speciálnívolmery..... 45 3. Měření času, frekvence a fáze 46 3.1. Referenčnízdrojefrekvence.... 47 3.2. Měřeníčasovýchinervalů... 48 3.3. Měřenífrekvence... 50 3.4. Měřenífázovéhoposuvu.... 54 4. Měření akivních veličin 57 4.1. Měřeníproudu.... 57 4.2. Měřenívýkonu.... 61 4.3. Měřičeelekrickéenergie.... 68 5. Zobrazovací přísroje a generáory 69 5.1. Osciloskopy.... 69 5.2. Logickéanalyzáory..... 72 5.3. Generáoryměřicíchsignálů.... 73 6. Měření pasivních veličin 78 6.1. Měřeníimpedance..... 78 6.2. Měřenívlasnosíobvodůasousav... 87 6.3. Vlasnosilineárníchobvodů.... 89 7. Měření vlasnosí signálů 92 7.1. Spekrálníanalýza..... 92 8. Lieraura 95 2
1. Elekronická měření a elekronické měřicí přísroje Cílem měření je získa informaci o hodnoě měřené veličiny. Zvlášě velký prakický význam má měření elekrických veličin, jako jsou např. napěí a proud. Prosřednicvím elekrických veličin však měříme aké neelekrické veličiny, a o ak, že využijeme vhodného snímače pro převod neelekrické veličiny na elekrickou. V dalším exu se budeme věnova pouze měření elekrických veličin. Měřeníaměřicímeody Měřenílzedefinova 1 jakosouhrnexperimenálníchúkonů,jejichžcílemje sanovi hodnou měřené veličiny v násobcích příslušné měrové jednoky. Měřicí meoda určuje způsob použií měřicího přísroje při měření. Rozlišují se přímé měřicí meody, při kerých se veličina určí přímo odečením její hodnoy z ukazaele měřicího přísroje, a nepřímé měřicí meody, při kerých se změří veličina jiná a hodnoa měřené veličiny se určí výpočem pomocí známé závislosi mezi oběma veličinami. definiční měřicí meody, keré vycházejí přímo z definice dané veličiny, a nedefiniční měřicí meody, kerévycházejízjinýchneždefiničníchvzahůmeziveličinami 2. absoluní měřicí meody, keré poskyují hodnou měřené veličiny vyjádřenou v definovaných jednokách, a srovnávací měřicí meody, keré srovnávají hodnou měřené veličiny se známou hodnoou veličiny éhož druhu, nebo jinou veličinou, kerá je známou funkcí měřené veličiny, a udávají edy jen poměr či rozdíl dvou veličin. výchylkové měřicí meody udávají velikos veličiny pomocí výchylky ručky a nulové měřicí meody využívají ručku v nulové poloze a hodnoa měřené veličiny se určí z jiných údajů. subsiuční měřicí meoda nahrazuje měřenou veličinu známou veličinou sejného druhu ak, aby účinky obou byly sejné. kompenzační měřicí meoda vyrovnává účinek měřené veličiny sejně velkým, ale opačným účinkem veličiny éhož druhu. Její speciální varianou je nulová měřicí meoda. konakní měřicí meoda je aková, při keré je měřicí přísroj v mechanickém konaku s měřeným ělesem, nekonakní měřicí meoda umožňuje měři bez mechanického konaku. saické 3 měřicímeodyvyužívajípouzečasověneproměnnýchveličin,kdežodynamické měřicí meody časovou proměnnos veličin vyžadují. další speciální meody. Definice nejiso měření Žádné měření není ideální, vždy dochází k určiým chybám. Velikos chyb při měření se charakerizuje pomocí pojmu chyba, a o jako absoluníchyba δpomocívzahu δ= AX,kde Xje(konvenčně)praváhodnoaaAjenaměřená hodnoa; relaivníchyba ρpomocívzahu ρ= δ X. V případě nepřímých měření plaí proabsoluníchybusoučuneborozdíluvzah δ ± = i δ i ; prorelaivníchybusoučinunebopodíluvzah ρ = i ρ i ; proabsolunínejisouvpřípaděobecnézávislosi f(x 1,x 2,...,x n )vzah δ f = i f. x i δ i Chyby při měření vznikají z různých důvodů, může se jedna o chyby obsluhy, chyby měřicího přísroje (špané cejchování, nasavení nuly), chyby meody, chyby použiých elemenů, chyby čení údaje a zaokrouhlení 4,chybyzpůsobenérušivýmivlivyanakonecnahodiléchyby.Hrubéchybyvznikajínedbalosí (např. španým přepočem naměřeného údaje, použiím nesprávné cilivosi), záměrně(falšování da), použiím nefunkčního přísroje, použiím špané měřicí meody apod. Někdy lze hrubé chyby odhali pomocíoho,že vyčnívají naokrajíchsouborunaměřenýchda,alejejichvyloučeníjemožnéažpo uvážení(např. po nalezení chyby v přísroji, po saisické analýze, nebo z nesmyslnosi údaje např. vychází záporný odpor rezisoru). 1 Taoinásledujícídefinicejsoujenorienační,podrobnějionichpojednává[10]. 2 Přiměřenívelikosiodporu R xmůžemevyjízdefiniceazměřinapěťovýúbyekaprocházejícíproud,znichžodpor vypočíáme,nebomůžemenapř.změřivýsupnínapěíodporovéhoděliče U 2 apřiznámévelikosivsupníhonapěíděliče U 1 aznalosidruhéhoodporu Rvyčíslivelikosměřenéhoodporu.Vedruhémpřípadědovýslednénejisoyvsupujeješě nepřesnos,sjakouplaívzah U 2 = Rx R U xr 1pronapěťovýdělič. 3 Jeřebarozlišovasaickéveličiny,edyakové,kerésevůbecvčasenemění,asacionárníveličiny,kerésesicemění, ale sálým způsobem, např. sacionární harmonický proud mění svou okamžiou velikos, ale nemění se jeho ampliuda. 4 U analogového přísrojevždy údaj zapisujeme na konečný poče mís, v případě číslicového přísrojechybu vnáší kvanifikace signálu; ao chyba má rovnoměrné rozložení. 3
1.1. Měřicí přísroje Jako měřicí přísroje se označují y přísroje, keré jsou určeny k měření. Měřicí přísroje mohou mí mnoho různých konsrukcí, mezi nimiž jsou i akové, keré využívají elekronických prvků(diod, ranzisorů, inegrovaných obvodů) akovým způsobem, že yo prvky určují jejich hlavní echnické paramery. Takové přísroje budeme označova jako elekronické měřicí přísroje a osaní si pracovně označíme jako klasické. Mezi klasické přísroje paří měřicí sysémy vybavené úsrojím magneoelekrickým, elekromagneickým, elekrodynamickým, elekrosaickým, epelným nebo vibračním. Obdobná úsrojí může používa i elekronický měřicí přísroj, ovšem měřená veličina se na něj nepřivádí přímo, ale prochází nejprve elekronickou sousavou. V dnešní praxi však věšinou používáme digiální (číslicové) elekronické přísroje, keré pracují čisě elekronicky. Využií elekroniky umožňuje vyrobi přísroje, jejichž klasická obdoba neexisuje(jedná se především o sysémy řízené počíači, přísroje se záporným vsupním odporem či přísroje na měření akových veličin, k jejichž určení je řeba složiých výpočů). V češině je zvykem označova měřicí přísroje buď názvem jednoky a příponou-mer, např. Poznámka volmer, nebo názvem měřené veličiny(nemusí jí o fyzikálně přesné označení) a příponou-měr, např. elekroměr. První možnos však nemusí zcela určova použií přísroje, proože jedna jednoka může přísluše více veličinám. Někeré přísroje mají název zvolený zcela odlišně, např. Q-mer. Poznámka Dělení přísrojů Elekronické přísroje na měření elekrických veličin lze děli podle mnoha kriérií, např. podle poslání na přísroje k měření akivních elekrických veličin a jejich paramerů(volmery, ampérmery, wamery, osciloskopy, kmiočoměry, fázoměry), přísroje k měření pasivních elekrických veličin a elekrických vlasnosí součásek, obvodů a sousav(měřiče kapaciy, impedance, snímače frekvenčních charakerisik) yo přísroje při měření na vsup měřeného objeku přivedou akivní veličinu definovaného průběhu a měří výsup měřeného obvodu, proo v sobě zahrnují jak měřiče akivních veličin, ak jejich generáory, generáory elekrických měřicích signálů; podlezpůsobuindikace 5 naanalogovéačíslicové(digiální) vpřípaděanalogovéhoměřicího přísroje je průběh výsupního signálu analogický průběhu vsupního signálu, a proo může nabýva nekonečně mnoha úrovní, kdežo u číslicového měřicího přísroje nabývá výsup pouze konečně mnoha úrovní(u měřené veličiny předpokládáme, že může nabýva nekonečně mnoha hodno) a závislos výsupního signálu na vsupním je funkce po čásech konsanní. Přísroje analogové a číslicové se obvykle konsrukčně velmi liší, i když slouží k měření sejné elekrické veličiny. podle kmiočového rozsahu na sejnosměrné, nízkofrekvenční, vysokofrekvenční, širokopásmové, úzkopásmové apod. podle řady dalších kriérií, např. na přísroje přímo ukazující hodnou měřené veličiny, na jednoúčelové nebo univerzální(mulimery), na laboraorní nebo provozní apod. Základní vlasnosi měřicích přísrojů 1. Přesnos je nejdůležiější charakerisikou, kerá udává maximální hodnou nejisoy, s jakou údaj měřicího přísroje udává hodnou měřené veličiny. K charakerizaci přesnosi analogového přísroje sepoužívánormovanéhoúdajeřídypřesnositp,cožjekód,kerýudáváhodnounejvyššímožné 6 relaivnínejisoyvprocenechpřimaximálnívýchylce 7.HodnoaTPbymělapokrývavšechny druhy nejiso: rozlišují se nejisoy pevné, keré nesouvisí s hodnoou měřené veličiny(způsobené drifem nuly, vniřním šumem, zbykovým napěím, chybou kvanování,...) a udávají se v procenechměřicíhorozsahu 8,anejisoyúměrnévelikosiměřenéhosignálu(způsobenéchybamizisku 5 Správnějšíbybylodělipřísrojenaanalogovéačíslicovépodlezpůsobuzpracování,j.podleoho,jesliseinformace o velikosi měřené veličiny uvniř přísroje zpracovává i číslicově, nebo pouze analogově. V praxi však věšinou mívá přísroj s analogovým zpracováním analogovou indikaci a přísroj s číslicovým zpracováním číslicovou indikaci, ale není o nezbyně nuné. Dále v exu budeme předpokláda, že omu ak je. 6 Třídypřesnosivořínormalizovanouřadu0,1;0,2;0,5;1;1,5;2,5;5,prooskuečnánejisoamůžebýmenší,např. přísroj s relaivní nejisoou 2,6% bude označen jako TP 5. 7 ProožeseTPudávápromaximálnívýchylku,můžebýrelaivnínejisoaměřenívdolníčásisupnicevěší.Uvažujme např.tp=0,5amaximálnívýchylku100v,j.absolunínejisoaje δ=0,5v.naměříme-lihodnou10v,dosaneme relaivnínejisou ρ= 0,5 10 100%=5%,j.desekrávěšínežTP. 8 Používásezkraka FS zanglickéhofullscale. 4
zesilovače, nelineariami zpracování, nesabiliou referenčního napěí,...). Pro číslicové přísroje není pojem řídy přesnosi definován, věšinou se uvádí jen rozpis výše uvedených druhů nejiso, případně se časo uvádí ješě nejisoa ±1 digi(případně několik ±N digis). 2. Měřicí rozsah určuje inerval, ve kerém lze měření provádě s definovanou nejisoou. V případě analogových přísrojů je zpravidla měřicí rozsah menší než velikos supnice a bývá na supnici vyznačen značkou(např. ečkou na příslušném dílku). 3. Cilivos se definuje poměrem změny výsupní veličiny při změně měřené veličiny, věšinou se však udávávevaru 1mVnaplnýrozsah.Scilivosísouvisírozlišovacíschopnos,cožjeakovázměna měřené veličiny, kerá vede k minimální rozlišielné změně výsupu(např. u číslicových přísrojů ke změně ±1 v nejnižším řádu). U někerých přísrojů se cilivosí udává nejmenší hodnoa měřené veličiny,přikerélzeješěurčiparameryměřenéveličinysdefinovanoupřesnosí. 9 4. Kmiočový rozsah udává frekvenční inerval, ve kerém je daný přísroj schopen provádě měření sdanounejisoou,zpravidlaseudáváformoudolníhof d ahorníhof h mezníhokmioču,výsižnější je ovšem vykreslení kmiočové charakerisiky. Je řeba si uvědomi, že mezní frekvence jsou časo sanovoványpropokleso3dbvzhledemkhodnoěnazvolenémkmioču(např. f =0Hz).To znamená,žepřiměřenínafrekvenci f h změřímevelikossignáluschybou 30%. Mezi další frekvenční vlasnosi přísroje lze zařadi např. schopnos polačení frekvenční složky usejnosměrnéhopřísrojenebonaopakcilivos sřídavého přísrojenasejnosměrnousložku. Uvažujme na příklad měření periody signálu, keré lze provés změřením času mezi následujícími průchody signálu nulovou úrovní. Bude-li však mí signál superponovanou sejnosměrnou složku věší než je ampliuda sřídavé složky, signál nikdy nulou neprojde a přísroj nic nenaměří. Jiný princip měření periody však může pracova spolehlivě. 5. Rychlos měření souvisí s časem, kerý uplyne mezi skokovou změnou měřené veličiny a usálením výsupního údaje. V případě analogových přísrojů souvisí s přechodovou charakerisikou měřicího sysému, s jeho lumením a edy s dobou usálení ručky. V případě číslicových přísrojů se udává rychlosí jednoho měření. V obou případech může rychlos závise na hodnoě měřené veličiny. Vlivem konečné rychlosi měření bývá měření časově proměnných veličin zaíženo přídavnou, zv. dynamickou nejisoou. V případě číslicových přísrojů je rychlos měření při pozvolné změně měřené veličinyvýraznězávislánaprincipuměření(někerémeodyvždyzačínajíměři odnuly,jiné jsou schopny sledova rozdíly mezi následnými hodnoami). 6. Vsupní impedance udává efekivní impedanci, kerou měřicí přísroj zaěžuje měřený obvod. Zpravidlaseudávávsupnímodporemavsupníkapaciou,jeedyfrekvenčnězávislá. 10 (Tenoparamer v případě klasických měřicích přísrojů souvisí s jejich vlasní spořebou.) 7. Výsupní impedance charakerizuje výsup měřicího přísroje, především se udává u generáorů měřicích signálů(mnoho z nich má vyvedeno několik výsupů s různou hodnoou charakerisické impedance 11 ). 8. Napájení udává, jakým způsobem je řeba zajisi činnos měřicího přísroje(velikos napěí, odběr proudu, požadavky na sabiliu napájení, frekvenční složky apod.). 9. Přeížielnos je charakerisika, kerá udává, kolikrá může hodnoa měřené veličiny překroči jmenoviý rozsah přísroje, aniž by došlo k jeho rvalému poškození. Věšina elekronických přísrojů je na vsupu opařena ochranným obvodem, kerý překročení rozsahu ošeří. Souvisejícím paramerem je ochrana proi špané polariě měřeného napěí(číslicové přísroje zpravidla polariu samy indikují). Z hlediska bezpečnosi je důležié zkušební izolační napěí, keré vypovídá o maximálním napěí,kerésemůženavsuppřipoji,anižbydošloknarušeníizolacepřísroje(např.2kv,na supniciseúdajuvedejako 2 vhvězdičce). 10. Sabilia udává časovou(příp. eploní) změnu vlasnosí měřicího přísroje. 11. Spolehlivos souvisí s dobou bezporuchového chodu přísroje a s pravděpodobnosí výskyu další poruchy. 9 Napříkladpřiměřeníperiodymůžebýdánpožadaveknaminimálnívelikosampliudy. 10 Např.provolmerjeypickáhodnoa10MΩ3pFapředsavujehodnoyparalelnězapojenéhonáhradníhorezisoru a kapacioru. Všimněe si, že pro sejnosměrné signály se uplaní jen čisý odpor a vsupní impedance bude velká, ale pro signálysvysokoufrekvencíbudekapaciance X C = 1 2πfC 0předsavovazkraavolmerbudemívelmimalouvsupní impedanci, což ovlivní přesnos měření. V principu může mí vsupní impedance i indukivní charaker, ale je o méně běžné. 11 Pojemcharakerisickéimpedance sezavádínapř.usysémůsrozloženýmiparamery,jakojsounapříkladvedení. Uvažujme dvouvodičové vedení, jehož konce jsou zaíženy impedancí Ẑ. Připojíme-li na druhý konec vedení generáor napěí, budou sevedenímšířivlny,keré senakonci vedení odzáěže Ẑ odrazíabudou sešířiproi původní vlně, se kerou budou inerferova. V mnoha případech je popsaná inerference nežádoucí a lze ji polači ím, že připojená impedance Ẑbuderovnaprávěcharakerisickéimpedanci Ẑ 0,kerázávisínafyzikálníchvlasnosechdanéhovedení. 5
12.Referenčníapracovnípodmínkydefinujírozsahokolníchpodmínek 12 (eploa,vlhkos,lak,magneicképole,...),zakerýchlzepřísrojprovozovaak,abyměřilsdefinovanounejisoou.při referenčních podmínkách přísroj měří se základní nejisoou, při jiných podmínkách je řeba započís přídavnou nejisou. 13. V případě číslicových přísrojů je důležié aké rozhraní, keré určuje, jakým způsobem a zdali vůbec lze připoji přísroj k počíači či k jiným měřidlům. Uvedené paramery jsou ypické pro věšinu měřicích přísrojů. Jednolivé ypy pak charakerizují i další paramery. Může se jedna o elekrické paramery(přeslechy mezi jednolivými kanály, elekromagneická kompaibilia, polačení souhlasných napěí apod.) nebo konsrukční paramery(mechanická oddolnos přísroje, vybavení konekory, přenosielnos, nunos vnějšího osvělení, podmínky uložení apod.). Blokové schéma měřicího přísroje Blokové schéma jednoduchého analogového elekronického měřicího přísroje, obr. 1a), obsahuje ři bloky: měřicí převodník elekrické veličiny(s elekrickými nebo elekronickými prvky), kerý může převádě jednu elekrickou veličinu na druhou(řeba napěí na proud), měni její velikos, upravova její průběh(usměrnění, varování), ale aké může galvanicky oddělova nebo impedančně přizpůsobova; analogový elekronický obvod pro zpracování měření; indikáor(ručka, svěelná sopa) nebo záznamník(pisáko, magneofon), kerý v analogové formě informuje o hodnoě měřené veličiny. a) b) Měřicí převodník Měřicí převodník A/D převodník Analogový obvod Logický obvod Indikáor Indikáor... Obrázek1: Blokovéschémaa)analogovéhoab)číslicovéhoměřicíhopřísroje. Blokové schéma číslicového měřicího přísroje pro měření analogových veličin, obr. 1b), obsahuje: měřicí převodník, kerý může bý sejného ypu jako u analogového přísroje, ale aké může bý uzpůsoben např. auomaickému přepínání rozsahů; analogově-číslicový(a/d) převodník, kerý realizuje převod analogové informace na číslicovou (za A/D převodník lze doplni číslicový převodník kódů, na příklad pro zvýšení spolehlivosi nebo bezpečnosi da při dálkovém měření); logický obvod pro zpracování měření(např. mikroprocesor); číslicový indikáor(sedmisegmenový displej, digiron) nebo záznamník(paměť počíače, iskárna), kerý v číslicové formě informuje o hodnoě měřené veličiny. Výše uvedené blokové schéma se mírně pozmění v případě číslicového měřicího přísroje pro měřenídigiálníchveličin 13 :měřicípřevodníkmůžebýbuďvypušěn,nebozajišťujepřevodrůzných logických úrovní, A/D převodník není nuné použí. Vniřní zapojení mnoha dnešních měřicích přísrojů(i neelekrických veličin) sesává ze vsupního převodníku měřené veličiny na napěí, z A/D převodníku, z mikrokonroleru, kerý měření řídí i zpracovává, a ze zobrazovací jednoky(případně výsupu na počíač). Analogová čás ěcho přísrojů je značně polačena. Srovnání klasických, elekronických analogových a číslicových přísrojů Rozdílná konsrukce přísrojů různých ypů vede k odlišnosi jejich vlasnosí. V přehledu dále bude zmíněno několik odlišnosí mezi přísroji klasickými, elekronickými analogovými a elekronickými číslicovými. Na úvod je řeba zmíni, že klasické a analogové elekronické přísroje mají mnoho vlasnosí společných, proože elekronický analogový přísroj využívá úsrojí klasického přísroje. 12 Podmínkyjsoudefinoványvnormách. 13 Např. někeré moderní inegrované senzory neelekrických veličinmají číslicový výsup, nebo kpřenosu informace využívají sřídu signálu. 6
přesnosčeníúdaje přičíslicovéindikacijeuvedenýúdajjednoznačný 14,jevidielnýzeširokého úhlu a velké vzdálenosi. Naopak při čení údaje analogového přísroje musíme zohledni(resp. vylouči)paralaxupozorování,inerpolovahodnouvýchylkypomocíoznačenýchdílkůsupnice 15 a časo ješě údaj přepočía pomocí konsany přísroje. Siuace je ješě složiější v případě nelineárních supnic. elekronický měřicí přísroj může sám indikova polariu signálu, u klasických přísrojů o lze jen u supnic s nulou uprosřed. elekronickýměřicípřísrojmůžebýdoplněnauomaickouvolbourozsahu 16.Všechnyřipředchozí body výrazně ovlivňují rychlos odeču. elekronické měřicí přísroje snáze dosahují vysoké přesnosi a velkých vsupních odporů. při číslicové indikaci výsledku není řeba čeka na usálení ručky a nemá vliv její zbyková výchylka. číslicová indikace zjednodušuje záznam a přenos výsledku měření, zpracování počíačem a začlenění do auomaického měřicího sysému. číslicová realizace umožňuje polačení rušivých signálů vhodnou volbou meody realizace, použií mikrokonroleru umožňuje korekci chyb sysému. číslicové měřicí přísroje nejsou cilivé na orienaci přísroje(vodorovně, svisle) a neovlivňují je mechanické záležiosi(ření, dopružování a nesabilia pružin). číslicové přísroje mají horší orienaci ve smyslu nárůs/pokles(pokud nejsou doplněny speciálním indikáorem),nenímožnésinanichudělaznačkuvhodnéhodnoya odhadova správnosměřené veličiny z dynamiky pohybu ručky. při inegraci více displejů na jednom panelu se hůře sleduje odchylka od normálního savu, pokud sysém není doplněn dalším indikáorem. elekronické přísroje vyžadují zvlášní napájení a jsou konsrukčně složiější(i přeso mohou bý ekonomicky výhodnější). elekronické přísroje je možno doplni ochranou proi přeížení. liší se vliv okolních podmínek elekronické přísroje mohou bý cilivější na změny eploy, na dopadající záření, ale jsou zase méně cilivé na mechanické vlivy a magneické pole. Přísupy ke konsrukci elekronických měřicích přísrojů Elekronický měřicí přísroj lze realizova různými posupy. Uvažujme nyní savbu ampérmeru pro měření efekivní hodnoy harmonického proudu a srovnejme možné přísupy, zvlášě s ohledem na možnou příomnos rušivých napěí, keré deformujípřesnouharmoničnossignálu.efekivníhodnoai ef libovolnéhoperiodickéhoproudui()speriodou T jedefinovánapomocíepelnýchúčinků konsanníproud I ef musízadobujednéperiodyvyvoři nadanémodporusejnémnožsvíeplajakoproud i(),j. I ef = proudu i()=i m sinωdosáváme I ef = 1 2 I m. 1 T T 0 i2 ()d.vpřípaděharmonického 1. Nejjednoduššípřísrojezměříjednucharakerisikuprůběhui()aznívýpočemurčíI ef.například lzeměřimaximálníhodnou I m avydělijihodnoou 2.Doéokaegorielzezahrnouaky přísroje,kerézměřísředníhodnouaefekivníhodnouurčívzahem I ef =1,11I sř.nevýhodou ohoo přísupu je srikní požadavek na harmoničnos signálu. 2. Efekivníhodnoulzeurčiakéak,žesevyjdezjejífyzikálnídefinice měřenýproudsenechá procháze epelným elemenem, jehož eploa ovlivňuje výsupní napěí ermočlánku. Too napěí se měří sejnosměrným volmerem. Proože uvedená meoda odpovídá fyzikální podsaě definice efekivníhodnoy,jenejpřesnější 17,frekvenčněnezávisláapoužielnáprolibovolnéprůběhy. 3. Lze posupova aké ak, že provedeme analogový výpoče druhé mocniny proudu. Používají se buď speciální prvky(kvadráory), jejichž napěí je úměrné druhé mocnině proudu, nebo analogové násobičky(s operačními zesilovači, využiím Hallova jevu apod.). Přesnos ěcho přísrojů závisí na přesnosi násobení nebo umocnění, meoda je nezávislá na přesném průběhu signálu a zpravidla má omezený frekvenční rozsah(dle použié násobičky). 14 Mohouexisovavýjimkyvpřípadech,kdyjeměřeníprováděnoak,žejevelmivýraznýšum,nebomáměřenáveličina akovou velikos, že leží mezi kvanizačními úrovněmi a dochází k překlápění číslice nejnižšího řádu displeje, nebo přísroj měří opakovaně meodou, kerá se k výsledku posupně přibližuje. 15 Má-lidisplejčíslicovéhopřísrojeosmmís,jerelaivnípřesnosodeču samaosoběvšaknevypovídáopřesnosi měření 10 8.Pokudbychomchělisejnépřesnosidosáhnou analogovýmpřísrojemsručkou,pakbypřipřesnosi odeču0,1mmmuselamíručkadélku10km. 16 Zvlášěumulimerůjevšakčasooddělenývsuppronejvěšíproudy,cca10A. 17 Vreálnésiuacijeermočlánekochlazovánokolím,aprooskuečnáeploaneodpovídávzahuspřesnědruhoumocninou proudu, ale exponen je mírně menší. 7
4. Vpřípaděčíslicovéhoměřenílzesignálnejprvenavzorkova(určihodnoy i( n )vdanýchčasových okamžicích n = n )podobujednéperiodyapakvýpočemurčiefekivníhodnouvzahem 1 I ef = T [i(n )] 2.Přesnosměřenípakbudezávisenejennapřesnosiměřeníjednolivých vzorků i( n ),alehlavněnavelikosivzorkovacíhoinervalu.podleshanonovaeorémumusí bý oiž vzorkovací frekvence alespoň dvojnásobkem nejvyšší frekvence obsažené v signálu. To lze jednoduše zajisi v případě čisě harmonického signálu, ale příomnos šumu může vnáše vysokofrekvenčnísložky,kerépovedoukesníženípřesnosiaproximaceefekivníhodnoy 18. 5. Další přísup(v praxi nevyužívaný) může bý založen na kompenzaci měřené veličiny výsupem z vhodného generáoru. Měřicí přísroj nasaví generáor ak, aby jeho výsup byl v proifázi s měřeným proudem a měl sejně velkou ampliudu. Výsledkem superpozice obou veličin bude nulový průběh, po jehož dosažení bude velikos efekivní hodnoy proudu udáva nasavení generáoru. Tao meoda opě vyžaduje přesnou harmoničnos signálu. Důvody pro číslicové měření Přesnos jakéhokoliv měření závisí na om, jak přesně jsme schopni definova a realizova základní jednoku měřené veličiny. Proože jsme v současné době schopni nejpřesněji měři frekvenci(a realizova příslušný ealon, využívající přechodů mezi energeickými hladinami aomu), můžemedosáhnouvelképřesnosiím,žeměřenouveličinu(např. U x )převedemenačasovýinerval τ x azměřímepočepulzů N x spřesnědefinovanouopakovacífrekvencí f ref,kerésezadanýinerval τ x vyskynou,j.budeplai N x. = τx f ref.určipočeimpulzůjespoužiímčíslicovéechnikysnadnéa jednoznačné,aproopřivysoképřesnosipřevodu U x τ x získámevysokoupřesnosměření U x. Vysoká přesnos měření není jediná výhoda aplikace číslicové echniky. Využií mikroprocesorů umožňuje auomaické ověření savu přísroje(diagnosiku) a auomaickou kalibraci, čímž se snižuje pravděpodobnos španého měření. Je aké možné hodnoy korigova podle přesných přenosových charakerisik, kdežo v případě analogových či číslicových přísrojů bez mikroprocesorů bylo nuné spoléha např. na lineariu závislosi. Případné sofwarové řešení umožňuje realizaci víceúčelových přísrojů, keré mají na vsupu jeden A/D převodník, jehož výsup se pak sofwarově zpracuje podle akuální pořeby(např. určíme velikos napěí, okamžiky průchodu nulou, fázi, sřední hodnou, efekivní hodnou, spekrální složení ad.), příp. lze realizova výpočy u jednoúčelových přísrojů(např. průměrování, směrodané odchylky, náročné výpočy veličin, vyjádření vzhledem k referenční hodnoě apod.). Konsrukce číslicových přísrojů aké bývá méně cilivá na změny okolních podmínek než u analogových elekronických přísrojů 19. V případě silného využií číslicového zpracování přechází realizace přísroje v podsaě z hardwarové oblasidooblasisofwarové,edy elekronika pouzezměříonejnunějšíapřevedeveličinydočíslicového varu, veškeré další zpracování se realizuje mikrokonrolerem. Tao konsrukce umožňuje snadnou akualizaci či opravu algorimu pomocí nahrání nového firmware, což je výhodné v případech, že je přísroj např. nedosupný pro hardwarové úpravy(kosmické sondy). Konsrukce klasického měřicího přísroje Klasický měřicí přísroj může mí řadu konsrukcí, ale vesměs převládá použií oočné ručky, jejíž polohu(úhel naočení φ) ovlivňují dva momeny: pohybovýmomen M x vyvolanýměřenouveličinou(průchodemproudu,přiloženýmnapěím), zpravidlaje M x úměrnýměřenéveličiněnebojejímučverci,j. M x = k x xnebo M x = k x x 2 ; řídicímomen M d,kerýjevyvolánmechanicky,např.pomocípružiny,apůsobíproi M x (pokud byřídicímomennepůsobil,ručkabyseoáčelapořáddokola),např. M d = k d φ. Usálenápoloharučkysenajdezrovnice M x M d =0,j. φ us = kx k d xvpřípadělineárnízávislosi. V okamžiku po změně veličiny x se ručka oáčí a její pohybovou rovnici určíme z momenové rovnice M x M d M J M b =0, kdem J jemomenservačnýchsilzávislýnamomenuservačnosijoočnéčásiam b jebrzdnýmomen (např.řenívzduchunebovířivéproudy).dosadíme-lizamomeny M i = k i φ,získámepohybovourovnici 18 Zeorievzorkováníjeznámo,ževpřípaděpříomnosivysokofrekvenčníhošumu,kerýnesplňujeShanonůveorém,je lépe nejprve šum odfilrova a až pak provádě vzorkování, než se pokouše šum odsrani v navzorkovaných daech. 19 Číslicovépřísrojeoižnepracujívakivníoblasipoužiýchsoučásek,alepoužívajíjendvasavy.Napříkladranzisor je buď ve savu sepnuém, nebo rozepnuém, což je relaivně nezávislé na velikosi napájecího napěí. Navíc díky olerancilogickýchsavůnezáležínaom,jeslijenapěí3vnebo5v oběhodnoyseinerpreujíjakologickájednička.u analogových přísrojů se změnou velikosi napájení se mění poloha pracovního bodu ranzisoru, což vede ke změně akuální hodnoy zesílení a následně ke změně přesnosi výsupu. Ale i u číslicových přísrojů může mí změna napájení velký vliv, pokud ovlivní např. hodnou referenčního napěí nebo kmioču. 8
ručky ve varu J d2 φ d 2 k dφ b d k dφ=k x x. Řešení pro skokovou změnu nám dá přechodovou odezvu přísroje, řešení pro sinusový vsupní signál pak vede k frekvenční charakerisice přísroje. Tvar přechodové odezvy závisí na velikosi lumení. Je-li lumení příliš malé, podkriické, bude docháze k překmiům, j. ručka se prudce vychýlí z klidové polohy, proběhne přes správnou hodnou x, paksevráínahodnoumírněmenšínež xazasesevychýlínadruhousranu budedocházeklumeným kmiům ručky okolo správné hodnoy x, což zvýší dobu měření budeme muse počka na usálení ručky. V případě velkého, nadkriického lumení k překmiům a oscilacím nedochází, ale rvá dlouho, než se ručka dosane na úroveň x. Správně nasavený přísroj by měl proo pracova na hraně kriického lumení, při němž už nedochází k překmiům a zároveň je kráká doba náběhu. φ... Obrázek2: Odezvaukazaeleelekromechanickéhoúsrojínajednokovýskokvzávislosinalumení: podkriické(ečkovaně), nadkriické(ence) a kriické(učně). V praxi nejčasěji užívané úsrojí je magneoelekrické úsrojí(úsrojí s oočnou cívkou). To sesává z permanenního magneu, mezi jehož pólovými násavci je umísěna oočná cívka s obdélníkovým profilem vinuí, spojená s ručkou, obr. 3a). Too úsrojí měří velikos proudu I, kerý prochází cívkou. Je-lidélkačásicívkyvmagneickémpoli l,cívkamápoloměr r, N záviůavevzduchovémezeře jeindukce B,budemípohybovýmomenvelikos M x =2NBlr I= k x I.Direkčnímomenvyvářejí přívodycívky,kerémajívarspirálovépružiny.usálenápoloharučkybude φ us = kx k d I.Brzdnýmomen vzniká proudem, kerý se v cívce indukuje v důsledku pohybu cívky a dle Lenzova pravidla působí proi pohybu cívky. Přesnos přísroje bude ovlivněna např. přesnosí usazení cívky v ose pólových násavců, homogeniou a varem magneického pole ve vzduchové mezeře, velikosí klidového ření, lineariou pružin vyvozujících řídicí momen či vlivem okolních polí(graviační, exerní magneické, apod.). Magne R ր R A R A ր R I3 R U1 R U2 R U3 R I2 R I1 I/U Volmer I 3 I 2 I 1 U 1 U 2 U 3 a) b) c)... Obrázek3: Magneoelekrickéúsrojí:a)průřezsysémem,b)konsrukcevolmeruac)konsrukce přísroje pro měření proudu i napěí. Vniřníodporúsrojí R A je dánodporemvinuícívkyabývávelmimalý,proojeooúsrojí v principu ampérmer. Pokud pořebujeme sesavi volmer, obr. 3b), musíme do série s cívkou zapoji předřadnýodpor R,kerýzvýšívsupníodporvolmeruna RR A.Přílišvelkýodporvšaksnížíproud procházející cívkou a ím i cilivos přísroje. Změna rozsahu se dosáhne připojením bočníku v případě ampérmeru nebo změnou předřadného odporu v případě volmeru. S využiím jednoho přepínače lze edy realizova přísroj pro měření proudu i napěí, obr. 3c). Třída přesnosi kvaliních úsrojí bývá 0,5. Magneoelekrické úsrojí neumožňuje měři sřídavé proudy, proože lineární závislos na proudu vyžaduje, aby se ručka pohybovala i za nulový dílek supnice(což věšinou nejde). Pokud by o možné bylo, při nízkých frekvencích by výchylka ručky sledovala průběh napěí, akže by ručka kmiala od φ max doφ max.přivysokýchfrekvencíchseprojevíservačnospřísroje,ručkanebudeschopnazměny sledova a usálí se v nulové poloze. Lineární závislos momenu na proudu aké vede k získání sřední hodnoy, kerá je u harmonického proudu vždy nulová. Proo se pro měření sřídavých proudů musí magneoelekrické úsrojí doplni vhodným převodníkem(usměrňovačem). Mezi úsrojí, kerá mají momen úměrný kvadráu procházejícího proudu, paří elekromagneické úsrojí. To využívá sacionární cívku, skrze kerou prochází měřený proud, a oočně umísěné železné jádro, keré je spojeno s ručkou. Průchod proudu vybudí magneické pole, keré vahuje jádro dovniř cívkyaímjejakéoáčí;najádropůsobímomen M x = 1 dl 2dα I2,kde L(α)popisujezávislosindukčnosi 9
naoočeníjádra.usálenáúhlovápoloharučkyjepakdánavzahem φ us = 1 dl 2k d dα I2.Vhodnouvolbou L(α),resp.jejíderivace,lzedosáhnouioho,žesoučin dl dα I2 jeskorolineárnífunkcíproudu.díkydruhé mocnině jsou výchylky ručky při měření sřídavého proudu vždy kladné. Při nízkých frekvencích bude opě ručka kopírova velikos proudu, ale při vyšších se projeví mechanická servačnos úsrojí a ručka se usálí na hodnoě odpovídající efekivní hodnoě procházejícího proudu. Proože elekromagneické úsrojí obsahuje železné jádro, projevuje se u něj magneická hysereze. Z oho důvodu se přísroj moc nepoužívá pro měření sejnosměrného proudu. Ale aké u vysokých frekvencí se objevují problémy, spojené se závislosí permeabiliy na frekvenci a vznikem vířivých proudů. Supnice přísrojů s ímo úsrojím závisí na konkréním varu L(α), může bý např. v čási rozažená. Použielnos pro malé proudy je omezená vlivem velké vlasní spořeby. Úsrojí je dále cilivé na vnější magneické pole. Elekromagneické úsrojí je opě v principu ampérmer a pro měření napěí musí bý doplněno předřadným rezisorem. Exisují ale i úsrojí, jejichž výchylka je úměrná přímo napěí. Nejznámějším zásupcem je elekrosaické úsrojí. Jeho výhodou je velmi velký vsupní odpor a udíž minimální vsupní proud a vlasní spořeba. Poměrové úsrojí Pro někerá měření je nuné měři poměr dvou napěí. Kromě možnosi změři obě napěí samosaně a hodnoy vyděli lze použí i poměrové měřicí úsrojí, keré má dva vsupy a výchylka jeho ručky odpovídá poměru ěcho napěí. Poměrové úsrojí je vořeno dvěma cívkami, keré jsou umísěny zkříženě ak, aby vyvozovaly mechanický momen proi sobě a oba momeny působí na sejnou hřídel. Oproi přímému úsrojí chybí prvek, kerý by vyvozoval řídicí momen. Výchylka ručky může bý úměrná přímo poměru veličin nebo jejich čverci. Podle konkréní konsrukce lze poměrové úsrojí využí např. ke konsrukci ohmmeru nebo měření účiníku. Zvlášní kapiolou klasických měřicích přísrojů jsou jazýčkové kmioměry. Ty nepoužívají oočné úsrojí s ručkou, ale lineárně uspořádanou sadu jednosranně upnuých nosníků jazýčků. Každý nosník másvouvlasnírezonančnífrekvenci 20,kerájenadnímuvedena.Přiměřenífrekvencesesřídavýsignál s frekvencí f přivede ak, aby jazýčky rozkmiával kolmo k jejich rovině. Ten jazýček, kerý je naladěn na f,budedíkyrezonancikmiasmnohemvěšíampliudounežosaníaímudávýsledekměření. Teno yp přísrojů se používá pro měření nízkých frekvencí, nejčasěji pro sledování okamžié frekvence rozvodnésíě( 50Hz). 1.2. Ealony Podle definice je ealon maeriální míra, měřicí přísroj nebo sysém určený k definování, realizaci, uchovávání nebo reprodukování jednoky za účelem jejího přenosu porovnáním na jiné měřicí přísroje. Ealon by nikdy neměl slouži k ruinnímu měření. Rozlišuje se několik druhů ealonů: primární ealon má nejvyšší merologickou kvaliu v dané oblasi a jeho hodnoa není navázána na hodnou jiného ealonu, v praxi se konsruuje ak, aby se jeho hodnoa dala vypočía s vysokou přesnosí; sekundární ealon je ealon, jehož hodnoa byla sanovena navázáním na primární ealon, zpravidla se od primárního ealonu konsrukčně liší; referenční ealon je ealon nejvyšší merologické kvaliy v určiém mísě, z něhož se odvozují měření na omo mísě prováděná; pracovní ealon je ealon, kerý se běžně používá k ověřování a kalibraci, bývá navázán na referenční ealon; ransferový ealon se používá jako prosředek při vzájemném porovnávání ealonů; skupinový ealon je složen z několika ealonů a za jeho hodnou se bere sřední hodnoa hodno jednolivých ealonů. Exisujíakézv.kalibráory.Tojsoupřesnéměřicípřísroje,keréjsouschopnydodávaveličiny 21 (např. napěí) s velmi malou nejisoou, akže mohou slouži jako ealony pro méně přesné přísroje. 20 Všechnyjazýčkymajísejnoudélkualadísepomocídrobnýchzávaží,umísěnýchnavolnémkoncijazýčku. 21 Kalibráorvpodsaěobsahujegeneráorsměnielnouvelikosívýsupníhonapěíaměřicípřísroj,kerýuovelikos změří s velkou přesnosí. Obsluha kalibráoru ak má informaci o hodnoě měřené veličiny a může ji měni nasavením generáoru. 10
1.3. Problemaika měření Příprava měření neznamená, že jen vzájemně propojíme generáor měřené veličiny a měřicí přísroj. Musíme oiž zohledni konsrukci generáoru, měřicího přísroje a jak se vzájemně ovlivňují, ale aké vliv spojovacího vedení a případně i vliv rušivých projevů okolí(případně při měření několika veličin i jejich vzájemné ovlivňování). Na příklad podle jejich konsrukce bude možno buď generáor s měřicím přísrojempřímopropoji 22,nebobudenunémezinězapojipřizpůsobovacíobvod(měřicípřevodník), případně bude nuné měřicí přísroj síni. Měřicí přísroj Kvaliu měření ovlivňuje kvalia samoného měřicího přísroje. Proo je vhodné před měřenímověři,žepřísrojměřísprávněajenakalibrován 23 asprávněnasaven.správnosměřeníje možnoověřizměřenímznáméveličinynebosvyužiímvniřnídiagnosikypřísroje 24.Sohledemna výslednounejisouměřeníjenunévhodnězvolirozsahpřísroje 25 aověřipředpokladyměření(např. vsupní odpor). Rovněž je řeba zaruči pracovní podmínky přísroje(např. sabilní eploa). Typy signálů Výsupní signál ze senzoru(generáoru) je vyveden obvykle pomocí dvou svorek, keré nemusí bý vzájemně rovnocené. Podle oho, jesli je jedna ze svorek držena na konsanním napěí, lze signály(resp. výsupní obvody) rozdělova na nesymerické(single-ended) a symerické(differenial). Nesymerický signál, obr. 4a), má jednu svorku na konsanním napěí, zaímco napěí druhé svorky se v čase mění a nese informaci o měřené veličině x, obr. 4b). Typickým předsavielem éo skupiny je napěťovýdělič.budeme-livýsupnínapěí u x ()odebírazespodníhorezisoru,obr.4c),budespodní svorka L 26 drženananulovémpoenciálu,kdežonapěíhornísvorky Hsebudeměnisezměnou R(x). Proože U L senemění,dáseříci,žecelouinformacioxnesejensvorka H.Proožejesvorka Lzároveň spojena s uzemněním zdroje, bude eno yp signálu nesymerický uzemněný(grounded single-ended). Uzemnění však není jediná možnos, jak definova poenciál jedné ze svorek. Budeme-li odebíra napěí zhorníhorezisoru,obr.4d),budejednasvorkasálenanapěízdroje U adruhásebudeměni,ale žádná z nich nebude uzemněna. = R(x) u H L u L u H R 1 U R(x) R(x) H U u x R 1 a) b) c) d) L H u x L... Obrázek4: Nesymerickýsignál:a)generáornesymerickéhosignálu,b)průběhynapěínasvorkách, c) napěťový dělič jako zdroj uzemněného signálu a d) jako zdroj neuzemněného signálu. Napěí, keré je na obr. 4d) na svorce L, se označuje jako souhlasné napěí(common mode volage), proože posouvá napěíobousvorek,anižbyneslopronásužiečnouinformaci časospíšeškodía jenunéhopolačova 27.Příklademgeneráorusesouhlasnýmnapěímmůžebýermočlánek,určený k měření eploy součásky. Pokud jeho jeden konec vodivě připevníme na kovové pouzdro součásky, bude naéosvorcenapěísamonéhopouzdra U p anadruhésvorcebudesoučeermoelekrickéhonapěí U anapěí U p.žádanouinformacinesepouzejejichrozdíl,edy U. V případě symerického signálu, obr. 5a), se v čase mění poenciály obou svorek, obr. 5b). Typickým předsavielem je Wheasoneův můsek, obr. 5c), u kerého se výsup odebírá z jedné diagonály. Změní-li seveličina x,změnísehodnoyvšechrezisorůanapěíobousvorekseměnívproifázi.každásvorka edy nese informaciopoloviněveličiny xacelouinformacizískámezrozdílu u H u L.Proožežádnáze svoreknenípřímospojenasezemí,jednáseoplovoucí(floaing)signál.naobr.5a)jekoběmasvorkám připojena sejná velikos odporu. Takový signál se označuje jako vyvážený(balanced). Pokud by měl výsupní obvod v každé svorce jinou impedanci, jednalo by se o nevyvážený signál. 22 Přiinerpreacivýsledkůpakbudememusezohledninapř.zaíženígeneráoruvsupníimpedancíměřicíhopřísroje. 23 Výrobcepřísrojebyměludávavhodnýinervalkalibrace.Mnohdymůžebýudánkrákodobýinerval,pokerýje nejisoa menší, a dlouhodobý inerval s věší nejisoou. Samozřejmě možnos poruchy ím není vyloučena. 24 Ovšemiamůžebývadná,proojevhodnéobčaspoužíprvnípřísup. 25 Nemásmysl,abysevyužívalojendolních10%supnice. 26 ZnačenísvorekH(igh)aL(ow)jejenformálníaneznamená,ženapěísvorky Lmusíbýnižšínežnapěísvorky H. Označení u někerých přísrojů souvisí s velikosí impedance svorky vůči zemi. 27 vizpřednáškyzaplikovanéelekroniky,polačenísouhlasnéhozesíleníoperačnímzesilovačem 11
= = H u R(x) R(x) L u H R(1x) H L = u L R(1x) a) b) c) R(1x) R(1x)... Obrázek5: Symerickýsignál:a)generáorsymerickéhosignálu,b)průběhynapěínasvorkáchac) Wheasoneův můsek jako zdroj signálu. Typy vsupních obvodů Obdobně jako rozlišujeme ypy signálů, rozlišujeme i způsob zapojení vsupních obvodů. V principu můžeme vsupy rozděli na: nesymerické, obr. 6a), keré mají jednu ze vsupních svorek spojenou s jednou výsupní svorkou. Tao svorka může bý jak uzemněná, ak izolovaná od země(plovoucí); diferenciální, obr. 6b), u kerých nemá žádná svorka předem daný poenciál ani není spojena s žádnou výsupní svorkou. u 2 = = = u 1 = a) b) c)... Obrázek6: Typyvsupníchobvodů:a)nesymerickýsuzemněnousvorkou,b)symerickýac)příklad generáoru. Rozhodně neplaí, že na daný yp vsupu můžeme přivés libovolný yp signálu. Uvažujme signál, kerý získáme z generáoru na obr. 6c). Když jeho výsupní svorky připojíme na nesymerický vsup měřicího přísroje,budemejehouzemněnévsupnísvorcevnucovanapěíu 1,resp.donípoečevyrovnávacíproud. V akovém případě nemusí měřicí přísroj správně indikova a může dojí i k jeho poškození. Naopak v případě symerického vsupu měřicího přísroje problémy nenasanou a oba obvody jsou vzájemně slučielné. Pokud si nemůžeme yp signálu a vsupního obvodu zvoli a jsou vzájemně neslučielné, je nuno použí vhodný převodník. Obvod na obr. 6b) je shodný se všemi ypy signálů. S problemaikou připojování více vsupů už jse se nepochybně sekali v Prakiku z elekřiny a magneismu v úloze s osciloskopem. Pokud se využívají oba kanály osciloskopu, je řeba sondy zapoji ak, aby jejich země(zelené vodiče) byly na sejném poenciálu. Pokud se zapojí ak, že je mezi nimi rozdílové napěí, osciloskop nemusí správně fungova. Správné zapojení zemí je důležié i v případě, že v jednom obvodě měříme pomocí více oddělených přísrojů, keré ale mají uzemněné vsupy. Poznámka Poznámka Přísroje s dvojiým zemněním Při vyšších požadavcích na přesnos měření se lze seka s přísroji, keré mají míso dvou vsupních svorek vsupy ři. V om případě má přísroj vniřní uspořádání podle obr. 7. Elekronika uvniř přísroje se rozdělí na čás, kerá je nezbyně nuná pro(analogové) zpracování měřeného signálu, a na druhou čás(např. číslicovou), kerá už pracuje s výsledkem první čási. Uvniř přísroje se čási vzájemně oddělí a každá se umísí do vlasního sínění(vyznačeno ečkovaně). Vsupní čásseupravíjakoplovoucí,přičemžsekroměsvorekha LvyvedeisvorkaG(guard),kerájepřipojena na sínění. Všechny yo svorky jsou galvanicky odděleny od skříňky přísroje i od zemnění. Druhá, číslicová čás se realizuje jako neplovoucí a její sínění je spojeno se skříňkou přísroje a uzemněno. Přenos informace mezi oběma bloky se děje bez galvanické vazby(opicky, ransformáorem). Díky éo konsrukci lze dosáhnou polačení souhlasného napěí až 140 db. V případě, že měřený obvod můžeme připojijendvěmavodiči,spojísesvorky LaG. 12
H L G Plovoucí čás Neplovoucí čás... Obrázek7: Měřicípřísrojseřemivsupy. Elekromagneické inerference s měřicím obvodem Málokdy je měřicí sysém naolik vzdálený od osaních objeků a polí, že jej můžeme považova za izolovaný. Ve skuečném případě může docháze kelekrickýminerakcímsokolím 28 vazbám,kerésezpohleduměřeníjevíjakonežádoucí.vpodsaě exisují ři druhy vazeb: kapaciní vazba se projevuje v případě, že se mění elekrické napěí a mezi vodivými, vzájemně izolovanými ělesy se vyváří kondenzáor; vazba je zprosředkována elekrickým polem. Uvažujme příkladnaobr.8a):mámespodnívodič,jehožjedenkonecjevolnýakedruhémujepřipojenazáěž R z.kdybychomměřilinapěí u 2 naéozáěži,mělibychomdosanulu.alevpřípadě,žejepoblíž ješějinývodič,kerýjepřipojenkezdrojinapěí u 1,jesiuacesložiější.Obavodičeoižmají vlasníkapaciunejenvůčizemi(c 1 a C 2 ),alespolečněvoříješěelekrodyřeíhokondenzáoru C 12.Vpřípaděkonsanního u 1 yovazbyžádnouchybunevnáší,proožereakancekondenzáorů jenekonečná.alevpřípaděčasověproměnného u 1 ()procházíkondenzáoremc 12 paraziníproud, kerýproékáakézáěží R z avyvářínanínenulovýúbyeknapěí. C 12 u 1 C 1 C 12 R z C 2 u 2 u 1 C 1 C 2 R z u 2 Nežádoucí C 12 R 1 u 1 u x R 2 u ou a) b) c)... Obrázek8: Nežádoucí kapaciní vazba: a) fyzická realizace a b) její náhradní obvod, c) příklad s operačním zesilovačem. Pro uvedené fyzické zapojení můžeme sesavi náhradní obvod, obr. 8b), ve kerém je barevně označena rojice kondenzáorů, kerá způsobuje chybu měření. Použijeme-li běžné prosředky analýzy sřídavýchobvodů,zjisímevelikosvýsupníhonapěí U 2 = C12 C 2C 12 U 1 vpřípaděvysokýchfrekvencíau 2 =jωr z C 12 U 1 pronízkéfrekvence.jevidě,žesníženírušivéhonapěílzedosáhnou hlavněsníženímvzájemnékapaciy C 12. Reálný projev kapaciní vazby je znázorněn na obr. 8c), kde se vazba projeví nežádoucím proudovým příspěvkemdoinverujícíhovsupupřes C 12. indukivní vazba je zprosředkována magneickým polem a projevuje se indukováním rušivých napěí v cívkách, nebo na vlasních indukčnosech vodičů. Opě předpokládejme, že máme vodič, kerý mánějakouvlasníindukčnos L 2.Je-livjehoblízkosidalšívodičsindukčnosí L 1,dojdemezi nimi k vazbě, charakerizované vzájemnou indukčnosí M. Bude-li okolní vodič připojen ke zdroji napěíabudejímproékačasověproměnnýproud,budesenaindukčnosi L 2 indukovaparaziní napěí u i.kesejnémuprojevudojdeivpřípadě,kdyjevoblasiproměnnéelekromagneické pole. Nepříznivě se může projevova i saické magneické pole. Nedochází sice k indukci napěí, ale je ovlivněn pohyb elekronů a ím se mění odpor či vyváří Hallovo napěí. Ukázka rušivého vlivu indukivní vazby je na obr. 9. Kromě měřeného napěí se na inverujícím vsupuoperačníhozesilovačeobjevíindukovanénapěí u i,kerésekměřenémunapěí u x přiče nebo odeče a dojde ke zkreslení výsledku. 28 Případněmůžedocháze knežádoucíminerakcímmezijednolivýmičásmičivodičijedinéhopřísroje,nebomezi jednolivými měřicími kanály. 13
R 2 L 1 u 1 u x R 1 M L 2 u i u ou... Obrázek9: Nežádoucíindukivnívazba. galvanická vazba se projevuje nežádoucími úbyky napěí, keré buď vyvářejí nechěnou zpěnou vazbu,neboposouvajínapěťovéúrovnězemí 29.Souvisískvaliouzemněníajsouzpůsobenyím,že rezisivia vodičů není nulová. Zvlášě nepříznivé jsou zemnící smyčky, kerým lze bráni vhodnou meodouzemnění 30. Eliminace nežádoucích vazeb Nežádoucí inerakce s okolím lze nejsnáze odsrani umísěním měřicího řeězce do nenarušeného prosředí, j. co nejdále od rušivých zdrojů, nebo vypnuím rušivých zdrojů, pokudjeomožné.vpraxisečasokěmomeodámnemůžemeuchýli,aproojeřebahledaijiné cesy. Kapaciní vazbu lze odsrani vhodnou meodou sínění. Máme-li jeden okolní vodič, kerý je kapacině svázán s měřicím obvodem, probíhá mezi nimi inerakce skrze elekrické pole, obr. 10a). Ke sníženívazbyposačí,pokudmeziobavodičeumísímedobřevodivoudesku 31,kerouuzemníme, obr. 10b). Proože ve vodičích je nulové elekrické pole, nemůže rušivé pole proniknou na druhou sranu. Kvalia odrušení bude závislá na rozměrech desky a na její vodivosi. V případě ochrany proi rušení z celého okolí je nejlepší umísi měřicí řeězec do kovové klece, kerá odsíní veškeré elekrosaické pole. Síněný objek u 1 R z u 1 R z a) b) c) Maeriál s vysokou permeabiliou µr... Obrázek10: Eliminacenežádoucíchvazeb:a)kapacinívazbaab)jejíodrušení,c)magneickésínění. Magneická vazba je jen sěží odsínielná, proože neexisuje dokonale magneické prosředí. Nejlepším řešením proo je umísění měřicího řeězce co nejdále od zdroje magneického rušení(nejčasěji ransformáor) a zmenšení plochy, přes kerou prochází magneický ok. Pokud o nejde, lze použí sínění, obr. 10c), ve kerém síněný objek umísíme do duiny z maeriálu s vysokou permeabiliou. Magneické siločáry, vybuzené okolním vodičem(čárkovaně), se budou přednosně uzavíra přes eno maeriál a magneický ok objekem bude minimální. Vzhledem k omu, že permeabilia je silně závislá na frekvenci i inenziě pole, neexisuje jediné vhodné sínění: musíme voli jiné pro malé inenziy a jiné pro velké, jiné pro sejnosměrné pole a jiné pro sřídavé. Magneické sínění proomůžebýsloženozněkolikavrsevzrůznýchmaeriálů 32. Galvanickou vazbu můžeme odsrani vhodným provedením uzemnění. Proože i lidské ělo podléhá zákonů elekromagneismu, mohou se projevy(především kapaciní) vazby objevi i vlivem obsluhy. V cilivých případech lze na příklad pozorova po přiblížení člověka nebo jeho ruky zvýšení šumu, změnu indikované hodnoy nebo řeba rozladění rezonančních obvodů apod. Zvlášě náchylné na rušivé projevy jsou volné konce dráů a nezapojené vývody součásek, na kerých se může indukova rušivé napěí. Proo je vhodné před přesným měřením všechny vývody Poznámka 29 Videálnímpřípadějezemschopnaodvésjakýkolivproudanapěívšechzemíavšechjejichčásíjenulové.Pokudmá vodič, předsavující zem, nenulovou rezisiviu, má jeden konec země vůči druhému nenulové napěí. 30 VíceovlivugalvanickévazbyazemněníbylopojednánovpřednáškáchzAplikovanéelekroniky. 31 Vpřípaděplošnýchspojůsejakodeskanasíněníproiokolnímurušenímůžepoužíneodlepanávodivávrsvazdruhé srany. 32 Principiálnělzesíněnírealizovazesupravodiče,kerýsechovájakoideálnídiamagneikum.Vompřípaděbybyl měřený obvod zcela odsíněn, ale jen při eploách pod kriickou eploou supravodiče. 14
připoji na definovaná napěí, zkrái všechny vodiče na minimum apod. V přesných laboraořích by aké mělo bý samozřejmosí odsínění mísnosi od rušivého elekromagneického záření, elekrosaická podlaha, filrace napájecích obvodů, ale aké uklizené okolí bez volně se povalujících klubek dráů. Smoáme-li přívody měřící sondy, vyvoříme v podsaě cívku. Její indukčnos bude určiě věší nežbylavlasníindukčnospříméhovodiče,aproobudeme lépechya magneickérušení.je edy lepší necha přívody rovné. Poznámka Propojování přísrojů a obvodů Vlivem rušení není jednoduché ani připojování měřeného objeku k měřicímu přísroji. Naší snahou je dosáhnou oho, aby se signál z počáku přívodu dosal na konec přívodu pokud možno s co nejmenší změnou varu, fáze a velikosi. Nejjednodušším způsobem připojení je použií dvou přímých dráů, což je ovšem náchylné k indukivnímu rušení. Předpokládejme, že v okolí přívodů je magneické pole. Drá si můžeme myšleně rozdělina Nkrákýchúseků,obr.11a),znichžkaždýmávlasníindukčnos L.Nakaždémúseku spodníhodráusenaindukujenapěí u i1 avevýsledkuseoprojevíak,jakobykevsupuměřicího přísrojebylpřipojenpřídavnýzdrojnapěí U 1 = Nu i1.obdobněuhorníhodráuseindukujímalé příspěvky u i2 avýslednénapěí U 2 = Nu i2.vzhledemkezpůsobuzapojenípůsobínapěíproisobě anežádoucíinerferenceseprojevíjakopřídavnénapěíovelikosi U= N(u i1 u i2 ).Pokudbudou u i1 a u i2 rozdílné,rušeníseprojeví.velikosěchopříspěvkůnemůžemeúčinněovlivni,proože závisí na velikosi rušení v daném mísě prosoru, ale můžeme omezi jejich součy. Pokud oiž použijeme kroucenou dvojlinku, j. propléání dvou dráů, budou se k sobě přičía příspěvky sřídavě arozdílsoučovýchnapěíbudenulový.tedynaprvní(modrý)drásevpřípaděčyřúseků,obr. 11b),naindukujenapěí U 1 = u i1 u i2 u i1 u i2,nadruhýdrá U 2 = u i2 u i1 u i2 u i1 ajejich rozdílbudenulový U=0. U 2 = { }} { Měřený obvod u i2 U x u i1 U x U } {{ } = Měřicí přísroj Měřený obvod u i2 u i2 u i2 u i2 Měřicí přísroj U 1 u i1 u i1 u i1 u i1 a) b)... Obrázek11: Připojenípomocía)dvojlinkyab)kroucenédvojlinkyajejínáhradnímodel. Další možnos propojení využívá elekrické sínění. To je realizováno duým vodivým válcem, jehož osouprocházísíněnývodič,obr.12a).válecjenajednomkoncipřipojenkzemi.ukazujesevšak,že o k zeslabení inerference nesačí. Problémem oiž je exisence dvou zemnících bodů. Lepší řešení předsavujeobr.12b),vekerémsínícímválcemprocházídvavodiče druhývývodrezisoru R 1 jeuzemněnažurezisoru R 2.Prosprávnoufunkcisíněníjenunozajisi,abypovrchemsínícího válce neprocházel žádný proud. R 1 R 2 R 1 R 2 a) b)... Obrázek12: Způsobsíněnípřívoduodsenzorusmalým R 1kměřicímuobvodusvelkým R 2:a)málo účinné a b) výhodnější. Problemaiku odsranění inerferencí ukončíme poznámkou, že vhodné připojení a sínění není jednoduché navrhnou a vždy je nuné experimenální ověření a opimalizace výsledku. Pro přenos informačních signálů, zvlášě v případě číslicového zpracování, je vhodná opická cesa. Opické signály oiž nepodléhají běžným inerferencím a odsínění od rušení svěelného lze snadno provés neprůhledným plášěm. Výhodou je aké galvanické oddělení obou obvodů. Běžné opické propojení, obr. 13, využívá na vysílací sraně svíící diodu(led) a na přijímací sraně libovolný 15
Senzor Svělovod Měřicí přísroj... Obrázek13: Opicképropojeníobvodů. svělocilivý prvek(foodioda, fooranzisor, foorezisor). Přenosový kanál může bý v primiivním případě vořen okolním prosředím, ale zpravidla je vořen opickým vláknem nebo svělovodem. Kvaliu připojení mohou narušova i další fyzikální projevy. Pokud pracujeme se signálem ak vysoké frekvence, že už musíme zohledňova vlnovou délku záření, předsavují přívody vedení s rozloženými paramery. Jejich přenosová funkce(j. poměr napěí na konci přívodu k napěí na začáku přívodu) je silně a periodicky závislá na délce vedení. Nemůžeme proo na příklad přívod libovolně zkrái. Rušení může do měřicího řeězce proniknou i cesami, u kerých bychom o na první pohled nečekali. Na příklad připojíme-li měřicí přísroj k počíači za účelem sběru da(nikoliv k provádění měření), může přes komunikační rozhraní do přísroje pronika rušení z logických obvodů či zdroje z počíače. Proo mají kvaliní přísroje rozhraní řešeno opicky, čímž dojde ke galvanickému oddělení obou elekrických sousav. Poznámka Poznámka Drif Krom elekromagneického pole může bý měření narušováno vlivem času. Vlivem sárnuí a náhodných procesů dochází k drobným změnám ve velikosi paramerů jako jsou odpory, kapaciy, činiel zesílení apod. Výsledkem je, že se mění veličiny, keré by měly bý konsanní. Na příklad výsupní napěí zesilovačepřikonsannímvsupusezpočáečníhodnoy U ou0 změnína U ou ()=U ou0 U ou (). V akovém případě mluvíme o drifu výsupního napěí. Na drif můžeme nahlíže jako na nízkofrekvenční složku šumu. V mnoha případech drif snižuje přesnos sejnosměrných měření. Významný je drif spojený se změnou vlasnosí akivních polovodičových součásek. Proo bývají přesnější přísroje doplněny auomaickým nulováním(auozero), keré v pravidelný inervalech zjišťuje změnyněkerýchparamerůaběhemměřeníjepakzohledňuje 33.Touoechnikoulzevšakodsranipouze drif, kerý vzniká uvniř měřicího přísroje. Drif vznikající v měřeném obvodu je neodsranielný. Elekromagneická kompaibilia Poznaky o inerferencích mezi obvody, kerým jsme se v předchozí čási věnovali, jsou velmi důležié nejen z hlediska přesnosi měření, ale vůbec z hlediska funkce přísrojů. S nárůsem poču elekronických zařízení v běžném živoě i v laboraořích rose poče rušivých zdrojů a mluví se o vzniku elekromagneického smogu, j. o zamoření prosředí elekromagneickým zářením. Pro přísroje navržené bez ohledu na inerference je sále obížnější bezchybně fungova. Proo se věnuje sále věší pozornos problémům elekromagneické kompaibiliy(emc) zařízení, a o jak odborná, akzákonná 34.Zdesiuvedemejenkrákýsouhrninformacíoéoproblemaice. Elekromagneická kompaibilia zahrnuje v podsaě ři základní oblasi. První z nich jsou emise, edy elekromagneické záření, keré vzniká v daném zařízení, uniká z něj a může ovlivňova všechna okolní zařízení. Emisí se v principu nemůžeme nikdy zbavi, ale vhodným návrhem můžeme sníži jejich inenziu,případnějepřesunoudofrekvenčníchoblasí,kdepůsobíméněrušivě 35.Druhouoblasíje suscepibilia, edy nežádoucí schopnos zařízení bý ve funkci ovlivněno exerní energií. Obě zmíněné oblasi nahlížejí na jednu problemaiku, ale každá z jiného konce. Poslední oblasí je self-kompaibilia, kerá se zabývá emisí a suscepibiliou uvniř jediného zařízení, edy ím, jak se ovlivňují jednolivé funkční jednoky zařízení. Jednolivé oblasi elekromagneické kompaibiliy jsou svázány zv. elekromagneickou inerferencí (EMI). Exisují čyři základní zdroje EMI: 1. samoné emise, keré unikají z původce a jejich energie ovlivňuje okolní zařízení. Maximální možná husoaemisíjevběžnýchpodmínkáchregulovánahlavnězdůvoduelevizníhovysílání 36.Semisemi se nejsnáze vyrovnáme už přímo při návrhu zařízení. Jedná se o vhodný návrh návrh išěného spoje (např. rozmísění bloků), použií filrace vysokých frekvencí na napájecích a signálových rozhraních, používáním síněných kabelů a feriových filrů na kabelech apod. 33 Napříkladpřispojenýchvsupechoperačníhozesilovačesezměřívýsupnínapěí,kerébymělobýnulovéanaměřená hodnoa se použije pro kompenzaci. 34 VEvropskéuniimusívšechnypřísroje,uváděnénarh,splňovapodmínkyelekromagneickékompaibiliy,definované normami. Plaí o i pro přísroje, keré jsou určeny k provozu v průmyslových podmínkách. 35 Emisímvšakvyvářejíipřírodnízdroje,keréodsranianiovlivninemůžeme. 36 Zjinýchdůvodůseregulujepoužívánípřísrojůnapř.vleadlech,vnemocnicíchnebovevýbušnýchprosředích. 16
2. poruchynapájenímajímnohopříčinamohoubývelmirozdílné.můžesejednabuďonarušení krákodobé(např. zákmiy), dlouhodobé nebo úplné výpadky napájení. Mezi poruchy napájení se řadí i proudy v zemnicích smyčkách(zpravidla s frekvencí 50 Hz). Někeré ypy poruch(změna frekvence nebo varu vlny) mají jen zanedbaelný vliv, jiné jsou závažnější(velikos napěí). Proože různé poruchy napájení jsou v průmyslových prosředích velmi časé, jsou proi nim užívané přísroje odolné, alespoň na nízkých frekvencích. Zvlášním případem poruchy napájení je blesk. Řešení ochrany proi poruchám napájení předsavuje kvaliní zemnění, filry na napájecích vodičích, používání záložních a nepřerušielných napájecích zdrojů(ups) a ochrany proi přechodným jevů(např. bleskopojisky). 3. inerference na rádiových frekvencích předsavuje rušení se sředními frekvencemi. Jeho zdrojem je v podsaě každé číslicové zařízení, moory, zařízení obsahující osciláory apod. Proo je eno zdroj velmi časý(např. z důvodu exisence mobilů a bezdráových síí). Klíčovým fakorem pro posouzení vlivu a možnosi ovlivni zařízení je velikos elekrické inenziy v mísě zařízení. Nahlížíme-li na přísroj, kerý záření emiuje, jako na anénu se ziskem A, plaí pro velikos inenziy přibližně vzah E=5,5 PA/d,kde P jepřenášenývýkon[w]adjevzdálenoszkoumanéhozařízeníodanény. Ochranou proi inerferencím jsou vysokofrekvenční filry na napájecích a signálových vodičích, používání síněných kabelů a sínění obecně. Na oo rušení jsou obzvlášť cilivé analogové obvody. 4. zvlášním zdrojem rušení jsou elekrosaické výboje(elecrosaic discharge ESD), což je v podsaě náhlý ok elekronů po jejich posupném hromadění. Výboje časo souvisí s člověkem, kerý zkoumané zařízení ovládá(doek na klávesnici, uchopení přísroje), ale exisují aké inerní zdroje výbojů(např. ření při posunu papíru nebo plasových láek). Výboj bývá velmi rychlý(řádově ns) a proo je spojen s širokým spekrem emiovaného záření(při rvání 1 ns má frekvenční spekrum až do 300 MHz). Výboj má vždy proudový charaker. Ochrana proi výbojům opě spočívá ve filrech, sínění a ochraně proi přechodovým jevům. Zvlášť závažné jsou výboje v případě obvodů smikroprocesory 37,proožeprůchodvýboječasozpůsobujesamovolnýrese.Jeproořebapři návrhu reseovacího obvodu s výbojem počía. Při posuzování problemaiky elekromagneické kompaibiliy je pořeba nají vhodný eoreický model pro analýzu. Časo se používá model ypu zdroj cesa přijímač, jehož obsah se dá shrnou do ří bodů: v esovaném sysému se musí vyskyova nějaký zdroj energie; musí zde bý přijímač, kerý lze ouo energií ovlivni; musí bý vazebná cesa mezi zdrojem a přijímačem. Chybí-li jediný článek v omo řeězci, nemůže bý s kompaibiliou principiálně problém. Pojem cesy jeovšemřebachápaobecně,můžesejednajakocesyvodivé(signál,napájení,zem),akizářivé (elekromagneické pole, kapaciní a indukivní vazba). Zemnění Důležiým aspekem EMC je zemnění. V EMC bývá zvykem zem definova jako cesu pro návra proudu. Cesa může bý zamýšlená i nezamýšlená; zvlášě při vysokých frekvencích není pro zemnuné fyzické spojení.uvažujíserůznéypyzemípodlepodmíneknaněkladených.napájecía bezpečnosní země musí zvláda velké proudy, ale jen nízké frekvence, zaímco země pro elekromagneickou inerakci a výboje musí zvláda velké frekvence, ale nízké úrovně napěí/proudů. Země pro blesk musí zvládnou exrémně velké proudy na sředních kmiočech. Frekvence přechodných jevů se určuje podlevzahu f= 1 π r,kde r jedobanáběhu/poklesurušivéhopulzu. Odpověď na oázku, jak má vypada dobrá zem, se liší podle předpokládaného rušení. Obecně musí mízemvelmimalouimpedanci,abynanívznikaljenmalýúbyeknapěí,aopřescelýuvažovaný frekvenčnírozsah.do10khzjenejvýznamnějšíreálnýodpor R,aproosezemvyvářízdráusvelkým průřezem.ovšemnad10khzjedůležiáspíšeindukancezeměaproosepreferujezeměvevarudesky nebo mřížky. Důležiá je aké opologie země. Vzhledem k zamezení vzniku nežádoucích proudových smyček je nejlepším řešením jednobodová zem a proo se ak u nízkých frekvencí realizuje. Proože s růsem frekvence se vlivem kapaciního charakeru zmenšuje impedance mezi jednolivými dráy, není možno vyvoři skuečně jednobodovou zem vzniká samovolně vícebodová zem, obr. 14. Abychom měli polohu bodů zemnění pod konrolou, musíme záměrně vyvoři vícebodovou zem, a o pomocí mříží (sdoporučenourozečí λ min /20,kde λ min jevlnovádélkaodpovídajícímaximálníuvažovanéfrekvenci). 37 obecněsesekvenčnímiobvody 17
λ / 20 a) b)... Obrázek14: Vyvářenía)samovolné,b)úmyslnévícebodovézemě. Sínění obecně zahrnuje dva fyzikální jevy odraz záření pro vysoké frekvence a absorpci záření pro nízké frekvence a dvě echnická hlediska maeriál sínění a jeho inegriu. V případě rušení pocházejícího z bodového zdroje záleží na poměru vzdálenosi a vlnové délky. Je-li vzdálenos síněného přísrojeodzdrojevěšínež λ 6,jeimpedancezáření38 vevolnémprosoru377ω.proožeodrazzávisína rozdíluimpedanceokolníhoprosředíaodraznéplochy 39,jevelmiúčinnékovovésínění,kerémávelmi malýodpor(mω).přivzdálenosimenšínež λ 6 užimpedancezávisínaimpedanciobvodu.oblassedělí na elekrickou a magneickou. Pro zdroje s velkou impedancí(elekrické pole) jsou zráy odrazem sále velké,aleprozdrojesmalouimpedancí(magneicképole)jeimpedancevelmimaláaprooiodrazbude malý.maeriály,jakojsoualacu,jsoupromagneicképole průhledné,proosepřecházíodvyužií odrazu k využií absorpce a používají se maeriály s vysokou permeabiliou(např. ocel). Při vysokých frekvencích je vorba sínění obížnější, proože se projevují ovory. Každý ovor ve sínění může slouži jako anéna, kerá bude vyzařova dovniř do chráněného prosoru. Pro vnik elekromagneického pole není podsaná plocha ovoru, ale důležiý je nejvěší rozměr. To znamená, že okno srozměry100mm 1mmpropusídesekrávícezářenínežoknosrozměry10mm 10mm.Hleda akové šěrbiny je obížné, proože mohou vznika např. nedokonalosí dvířek, španým doléháním desek apod. Další možnos, jak naruši účinnos sínění, je vyvés neukončený drá přes sínění, obr. 15. Ten pak působí jako anéna, kerá vyzařuje energii směrem do síněného objeku. Síněný objek... Obrázek15: Narušenísíněnídráem. Tesování přísrojů na elekromagneickou kompaibiliu U každého zařízení je řeba ověři shodu s echnickými normami, věnovanými EMC. Exisují předepsané posupy, co měři a jak zařízení esova. Na příklad emise zařízení se měří ve speciálních odsíněných laboraořích, kde se přísroj umísí na zkušební solek, uvede se do provozu a pomocí anény, umísěné v předepsané poloze a vzdálenosi, se změří elekrická inenzia dopadajícího záření(pro různé frekvence). Tesování suscepibiliy spočívá v působení definovaných podněů na zařízení a sledování změny jeho chování. Na příklad všechny prvky, keré jsou určeny pro doyk obsluhy(klávesy, úchyy, doykové obrazovky apod.) se musí oesova na oddolnos proi elekrosaickým výbojům. Dělá se o pomocí zv. pisole, kerá se posupně přikládá na esovaná míso a každým se nechá projí několik výbojů. 1.4. Elekronické prvky a obvody Při aplikacích v měřicí echnice jsou na jednolivé prvky kladeny především požadavky na značnou přesnos žádaného parameru a jeho sabiliu. U všech součásek se projevují aké další paramery, keré popisují echnické/echnologické vlasnosi dané součásky. Při výběru vhodného ypu součásky je proo řeba zohledni všechny dosupné paramery. Pasivní součásky rezisory používajíserezisoryskovovouvrsvounebovinué(sbifilárním 40 vinuím),speciální rezisory mají oddělené napěťové a proudové svorky. K důležiým paramerům kromě jmenovié hodnoy paří paraziní indukčnos/kapacia, eploní koeficien odporu a časová sabilia. 38 Impedancejedefinovánapoměremvelikosinenziyelekrickéamagneické,j. Z= E H = µ ε. 39 Analogickyjakovopice,kdekoeficienodrazuzáležínarozdíluindexůlomu,vizFresnelovyvzahy. 40 Speciálníypvinuíprosníženíparaziníindukčnosi.Spočívávom,žesedrápředvinuímpřeložínapůlapakse eprve navíjí. V každém mísě vinuí díky omu prochází proud v obou směrech a vybuzené magneické oky se vzájemně kompenzují. Oba vývody rezisoru jsou na sejné sraně ělíska. 18
poenciomery kromě paramerů uváděných u rezisorů je důležiá ješě sabilia polohy/hodnoy poenciomeru a šum vyvářený při změně polohy. Používají se buď cermeové, nebo spirálové poenciomery. Pro někeré aplikace, kde pořebujeme současně měni hodnou dvou odporů, se používají andemové poenciomery. kondenzáory jejich přesnos a sabilia bývá horší než u rezisorů, mají aké výraznější eploní závislos. Významným paramerem je dielekrická absorpce, kerá souvisí s neschopnosí okamžiě vyda veškerý náboj nahromaděný v dielekriku. Dále má kondenzáor svodový odpor(charakerizovaný paramerem g δ) a jeho použií je omezeno maximálním provozním napěím. cívky a lumivky mají kromě své indukčnosi ješě paraziní kapaciu, vznikající mezi jednolivými záviy. Kvalia cívky se chrakerizuje činielem jakosi Q. Tlumivky používají feriové oevřené nebo uzavřené jádro. spínače ideální spínač má následující vlasnosi: nekonečný odpor v rozepnuém savu, nulový úbyek napěí(nulový odpor) v sepnuém savu, nulové spínací a rozpínací doby a neomezený poče sepnuí. V prvních dvou vlasnosech(saické vlasnosi) se ideálu nejvíce blíží mechanické spínače (např. relé), keré ale mají omezený poče sepnuí. Na druhou sranu, u mechanických spínačů se vyskyují výrazné přechodové jevy(zákmiy, jiskření) a mají omezenou pracovní frekvenci. Spínače založené na ranzisorech (nejčasěji FET, i inegrované konsrukce) mají přechodové jevy méně výrazné, ale problémem je především konečné napěí v sepnuém savu. Ve speciálních případech se ke spínání používají i další obvody, např. spínací diodové můsky. Operační zesilovače K analogovému zpracování měřených signálů se kromě pasivních prvků používají různá zapojení s operačními zesilovači. Vhodné ypy operačních zesilovačů by měly mí hlavně co nejvěší zesílení, malý napěťový ofse, malý šum a vysoký vsupní odpor. Při zpracování se kromě základních ypů operačních zesilovačů používají: přísrojové zesilovače, obr. 16a), keré slouží k určení rozdílu dvou napěí, přičemž oba jeho signálové vsupy mají sejný a velký vsupní odpor. Přísrojový zesilovač má ješě dva další vývody, mezi keré sepřipojujerezisor R g,určujícícelkovézesílení.přísrojovýzesilovačlzesesavizeříobyčejných operačních zesilovačů podle obr. 16b). u 1 R g u 2 a) b) u ou... Obrázek16: Přísrojovýzesilovača)schemaickáznačkaab)ideovéschémazapojení. izolační zesilovače mají lepší oddělení vniřních zesilovacích supňů. Klasické operační zesilovače jsou sesaveny ze ří zesilovacích supňů, keré jsou vzájemně spojeny galvanicky. V případě izolačních zesilovačů je alespoň jedna vazba jiného ypu. Může jí o ransformáorovou vazbu, použií opické přenosové cesy, využií kapaciní vazby apod. Tyo zesilovače se používají na příklad ehdy, měříme-li malé signálové napěí s velkým souhlasným napěím. Měřicí převodníky První čásí měřicích přísrojů věšinou bývá měřicí převodník, kerý voří rozhraní mezi měřicím přísrojem a vnějším svěem. Věšinou plní různé přizpůsobovací funkce, keré však musí vykonáva co nejpřesněji, proože jím zavedenou chybu/šum už nikdy nelze odsrani. Měřicí převodník může obsahova: ransformaci ypu vsupu zajišuje elekrickou kompaibiliu výsupu generáoru/senzoru a vsupu měřicího přísroje; impedanční přizpůsobení zajišťuje vhodné zaížení měřeného obvodu, může se jedna např. o napěťový sledovač; zeslabovač/zesilovač zajišťuje vhodnou velikos signálu pro následné analogové zpracování; zádržný obvod v případě rychlých signálů a pomalého měřicího přísroje uchovává okamžiou hodnou signálu; 19
oddělení zaručuje galvanickou izolaci mezi senzorem a zbykem měřicího přísroje, např. pro zajisění bezpečnosi obsluhy; filr odsraňuje nežádoucí frekvenční složky ve vsupním signálu, např. sejnosměrnou složku nebo frekvence omezí na horní mezní kmioče A/D převodníku; převodník úrovní zajišťuje posuv signálu na rozsah vhodný pro další zpracování, může zajišťova ransformaci mezi různými logikami, nebo obecně převádě proud na napěí a opačně; analogové muliplexory v případě několika měřicích kanálů zajišťuje přenos informace z požadovaného kanálu do zbyku měřicího přísroje; demoduláor pokud byl signál ze senzoru pro přenos zpracován modulací, nebo pokud senzor přímo generuje modulovaný signál; zdroj zajišťuje napájení senzoru v případě měření s použiím pasivního senzoru nebo zajišťuje žádanou funkci měřeného obvodu; ochranný obvod zajišťuje ochranu proi přepěí, změně polariy nebo nežádoucím přechodným jevům. 20