PAŃSTWOWA WYŻSZA SZKOŁA ZAWODOWA W TARNOWIE INSTYTUT POLITECHNICZNY LABORATORIUM METROLOGII. Instrukcja ćwiczenia laboratoryjnego:

Transkrypt

1 PAŃSTWOWA WYŻSZA SZKOŁA ZAWODOWA W TARNOWIE INSTYTUT POLITECHNICZNY LABORATORIUM METROLOGII Instrukcja ćwiczenia laboratoryjnego: Multimetr cyfrowy. Zasada działania, budowa i zastosowanie Tarnów 2013

2 Program ćwiczenia: 1. Obserwacja przebiegów czasowych w wybranych punktach woltomierza cyfrowego V628 działającego na zasadzie podwójnego całkowania. 2. Wyznaczanie wartości maksymalnej błędu podstawowego woltomierza V Pomiary wybranych wielkości fizycznych za pomocą uniwersalnego multimetru HP34401A zawierającego przetwornik całkujący A/D: 3.1. Pomiar parametrów napięcia zmiennego (AC) Pomiar rezystancji metodą dwu- i czteroprzewodową Pomiar rezystancji metodą porównawczą. 4. Zastosowanie uniwersalnego multimetru HP34401A do pomiaru temperatury przy wykorzystaniu zintegrowanego czujnika temperatury AD22100 z ilorazowym wyjściem napięciowym (DC/DC). Zakres wymaganych wiadomości: 1. Podstawowe pojęcia dotyczące przetwarzania A/C i C/A: dyskretyzacja w czasie (twierdzenie o próbkowaniu), kwantyzacja, kodowanie (systemy liczbowe i stosowane kody), metody i błędy przetwarzania A/C i C/A. 2. Podstawowe elementy układów cyfrowych: liczniki, rejestry, konwertery kodów, komparatory, multipleksery i układy próbkowania z podtrzymaniem. 3. Zasada działania i budowa woltomierzy cyfrowych opartych o przetworniki napięcie-czas 4. Niepewność pomiarów wykonywanych cyfrowymi woltomierzami. Literatura: 1. Zatorski A., Sroka R. : Podstawy metrologii elektrycznej,wydawnictwa AGH Stabrowski M.: Miernictwo Elektryczne Cyfrowa Technika Pomiarowa, OWPW Tumański S. : Technika Pomiarowa; Wydawnictwa Naukowo-Techniczne / Agilent Technologies Agilent 34401A Multimetr User s Guide 5. Informacje o produkcie: 2

3 1. Obserwacja przebiegów w wybranych punktach woltomierza cyfrowego V628 działającego na zasadzie podwójnego całkowania. Na górnej powierzchni obudowy woltomierza V628 umieszczono jego schemat blokowy oraz gniazda, do których doprowadzono sygnały z wybranych punktów woltomierza. Widok płyty czołowej przedstawiono na rysunku Uw Ux Układ sterowania kluczami 5 1 Generator impulsów taktujących 6 Detektor zera 2 Bramka 5 Generator impulsów wzorcowych 6 Przełącz. GND Rys. 1.1 Widok płyty czołowej obiektu woltomierza V628. Do wejścia woltomierza należy dołączyć napięcie stałe, z możliwością regulacji, o tak dobranej wartości, aby nie przekroczyć jego zakresu, wynoszącego 3,999 V. Źródłem zasilania może być zasilacz stałoprądowy i precyzyjny dzielnik napięcia. Dołączając sondy oscyloskopu kolejno (lub równocześnie przy użyciu oscyloskopu 4-kanałowego) do punktów 1, 2, 3 i 4 płyty czołowej woltomierza, obserwować sygnały które w nich występują dla trzech (np. 1.5, 2.5 i 3.5 V) wartości napięcia wejściowego. Należy narysować ich kształty i wymiary oraz wyznaczyć z tych obrazów czas pierwszej i drugiej fazy całkowania. 3

4 Obserwację należy powtórzyć po dołączeniu do wejścia woltomierza napięcia stałego z dodaną sinusoidalną składową zmienną o dwóch różnych częstotliwościach (np. 50 i 60 Hz). Zaobserwować czy częstotliwość składowej zmiennej ma wpływ wartość napięcia na wyjściu integratora woltomierza. Działanie woltomierza, na przykładzie zależności czasowych w wybranych jego punktach przedstawia rysunek 1.2. Rys Przebiegi czasowe w najważniejszych punktach woltomierza V628 4

5 Dane techniczne woltomierza V628 Zakres pomiarowy Rezystancja wejściowa 4 V 100 M Prąd wejściowy 5 na Napięcie dopuszczalne na wejściu 40 V Uchyb pomiaru ± 0,1 wart. mierzonej ±0,025 wartości zakresowej Max wskazanie +/ Polaryzacja automatyczna ze wskaźnikiem znaku Sygnalizacja przekroczenia zakresu pomiarowego wskazania poprzedzone pulsującym znakiem + lub zależnie od polaryzacji Wskaźnik Czas całkowania gazowane lampy cyfrowe 20 ms napięcia mierzonego Częstotliwość powtarzania pomiarów ok. 6/s Wytrzymałość izolacji między zimnym zaciskiem wejściowym a ziemią (obudową) Izolacja między zaciskami wejściowymi ziemią (obudową) Tłumienie zakłóceń w układzie wspólnym ( z opornością 1 k w obwodzie zacisku zimnego ) Zakres temperatur pracy 750V 500 M 120 db dla napięcia stałego 100 db dla napięcia 50 Hz C 5

6 Niestabilność termiczna wskazania Niestabilność prądu wejściowego Wejścia i wyjścia sterujące: 0,005 wart. mierzonej / C prąd wejściowy w pełnym zakresie temperatur pracy mniejszy od 3 krotnej wartości prądu wg tablicy 1 i 2 dla każdej z odmian wersji ekonomicznej oraz 6 krotnej wartości dla wersji FET - owej bezpośrednie - wynik pomiaru kod BCD 8,4,2,1,logika dodatnia - polaryzacja stan 1 na odpowiednim kontakcie - gotowość do wypisywania ( koniec pomiaru ) stan 1 na odpowiednim kontakcie - przekroczenie zakresu pomiarowego stan 1 na odpowiednim kontakcie - blokada pomiaru stan 1 na odpowiednim kontakcie - pozycja przecinka dziesiętnego Zwarcie odpowiednich kontaktów na gnieździe cyfrowym lub na wewnętrznym polu kontaktowym Zasilanie 220/110 V; ± 10,50 Hz,15 VA 2. Wyznaczanie wartości maksymalnej błędu podstawowego woltomierza V628 Z dokumentów normalizacyjnych omawiających ogólne wymagania i badania mierników cyfrowych wynika że, narzędzia pomiarowe kontrolne służące do sprawdzania woltomierzy cyfrowych i metodę pomiaru należy dobrać tak, aby największy możliwy błąd systematyczny był, co najmniej 3 razy mniejszy od dopuszczalnego błędu woltomierza sprawdzanego, wyrażonego w taki sam sposób. Źródła zasilania stosowane do sprawdzania woltomierzy powinny odznaczać się taką stabilnością, aby zmiany napięcia wyrażone w procentach, w 6

7 czasie niezbędnym do wykonania pomiaru, nie przekraczały 1/5 liczby określającej błąd wskazań narzędzia pomiarowego kontrolnego. Sprawdzanie woltomierzy dokonuje się metodą porównawczą polegającą na porównaniu wskazań woltomierza sprawdzanego ze wskazaniami narzędzia pomiarowego kontrolnego. Narzędziami pomiarowymi kontrolnymi mogą być: kompensator prądu stałego, kalibrator prądu stałego lub woltomierz cyfrowy. Wyznaczenie błędów podstawowych wskazań woltomierza cyfrowego dokonuje się w znamionowych warunkach odniesienia. Błąd podstawowy względny sprawdzanego woltomierza wyznacza się ze wzoru: V1 V2 p 100% (2.1) V Gdzie: V 1 - napięcie wskazywane przez woltomierz sprawdzany V 2 - napięcie wejściowe woltomierza sprawdzanego (zadane np. w kalibratorze lub wskazywane prze woltomierz kontrolny) V - wartość charakterystyczna, którą może być wartość V 2 lub wartość maksymalna danego zakresu pomiarowego V z. W instrukcjach przyrządów cyfrowych błąd graniczny podawany jest zazwyczaj w postaci sumy dwóch błędów maksymalnych : względnego i względnego zakresowego i wyrażony jest w procentach. V1 V2 V1 V2 max max 100 % 100 % (2.2) V2 max Vz Przebieg sprawdzania jest następujący: Błąd podstawowy woltomierza wyznacza się przy włączonym filtrze, (jeśli taki istnieje) i dla każdego podzakresu pomiarowego. Na woltomierzu sprawdzanym nastawia się wartość mierzonego napięcia V 1, zaś wartość V 2 odczytuje się ze wskazań narzędzia pomiarowego kontrolnego. Błąd dla każdego punktu pomiarowego wyznacza się zmieniając wartość mierzonego napięcia od zera do górnej granicy podzakresu pomiarowego, przy obu polaryzacjach mierzonego napięcia. Pamiętać przy tym należy, że wartość V 1 nastawia się każdorazowo rosnąco, nie przekraczając żądanej wartości punktu pomiarowego. Liczbę punktów pomiarowych określa się według typu sprawdzanego woltomierza. W przypadku woltomierzy mających na wejściu dzielnik oporowy błędy wyznacza się na podzakresie 7

8 podstawowym. W przypadku woltomierzy mających na wejściu wzmacniacz sygnału pomiarowego, każdy podzakres współpracujący z tym wzmacniaczem należy traktować jako podstawowy. Na zakresie podstawowym błędy wyznacza się dla każdej dekady pomiarowej (reprezentowanej jedną cyfrą wyświetlacza) w 5 punktach, co drugi punkt, np. licząc od jedynki (1,3,5,7,9) oraz dla punktów gdzie następuje przejście z dekady na następną dekadę np. 9, 10. Następnie oblicza się błąd bezwzględny i względny woltomierza dla każdego pomiaru oddzielnie, a następnie określa się wartość maksymalną obu składników błędu sprawdzanego przyrządu według zależności 2.2. Obliczona wartość max nie powinna przekraczać wartości dopuszczalnego błędu podanego w instrukcji sprawdzanego woltomierza. Wykonanie pomiarów: W ćwiczeniu należy sprawdzić maksymalny błąd względny podstawowy poprzednio sprawdzanego miliwoltomierza V628. Producent podaje błąd graniczny równy ±(0,1% wartości mierzonej +0,025% wartości zakresowej). Jako przyrząd kontrolny może być stosowany multimetr cyfrowy MXD 4660A o błędzie dwa razy mniejszym niż nasz badany woltomierz lub woltomierz HP(Agilent) 3410A o błędzie 20 razy mniejszym. Zasilanie dwóch równolegle połączonych woltomierzy można zrealizować identycznie jak w poprzednim punkcie ćwiczenia. Pomiary można wykonać dla jednej lub dwóch polaryzacji. Wyniki pomiarów należy zestawić w tabeli 2.1 a następnie na ich podstawie wyznaczyć maksymalny graniczny (wzór 2.2) błąd i porównać go z wartością katalogową podaną przez producenta w instrukcji przyrządu. Tabela 2.1. Lp. V 1 [V ] V 2 [V] V 1 V 2 [V] V1 V V 2 2 polaryzacja + polaryzacja

9 Parametry metrologiczne multimetru MXD 4660A: FUNKCJA ZAKRES DOKŁADNOŚĆ ROZDZIELCZOŚĆ Napięcie stałe (DC V) Napięcie zmienne (AC V) Prąd stały (DC A) Prąd zmienny (AC A) 200 mv ± (0,05%rdg + 10 μv 2 V 3dgt) 100 μv 20V 200V 1000V ±(0,1%rdg+5dgt) 1 mv 10 mv 100 mv 200 mv ± 10 μv 2V (0,8%rdg+10dgt) (40Hz~1kHz) 100 μv 20 V 1 mv 200V ± (0,5%rdg+10dgt) 10 mv (1kHz~10kHz) 750 V ± (0,8%rdg+10dgt) 100 mv 2mA ± 100 na 20 ma (0,3%rdg+3dgt) 1 μa 200mA 20 A ± (0,5%rdg+3dgt) 10 μa 1 ma 2 ma ± 100 na 20 ma (1,5%rdg+10dgt) 1 μa (40Hz~1kHz) 200 ma ± (2,5%rdg+10dgt) (1kHz~10kHz) 20 A ± (1,5%rdg+15dgt) (1kHz~10kHz) 10 μa 1 ma Rezystancja 200 Ω ± 0,01 Ω 2 kω (0,15%rdg+3dgt) 0,1 Ω 20 kω 1 Ω 200 kω 10 Ω 2 MΩ 100 Ω 20 MΩ ± (0,5%rdg+5dgt) 1 kω 9

10 Częstotliwość (FREQ) Test stanów logicznych (LOGIC) Test diod 20 khz 1 Hz 200 khz ± 10 Hz 2 MHz (0,1%rdg+2dgt) 100 Hz 20 MHz 1 khz DC do 20 V ± (0,05%rdg+3dgt) częstotilwość ± (0,1%rdg+3dgt) Prąd testowy = 1,0 ma Test ciągłości Sygnał dzwiękowy (buzzer) generowany przy rezystancji na wejściu miernika mniejszej niż 30 Ω hfe Prąd testowy maksymalnie 1000μA 1 V 10

11 3. Pomiary wybranych wielkości fizycznych za pomocą uniwersalnego multimetru HP34401A zawierającego przetwornik całkujący A/D 3.1 Pomiary parametrów napięcia zmiennego (AC). Przystąpić do następujących czynności : Ustawić rozdzielczość miernika HP34401A na wartość 6 ½ (patrz tabela 3.1). Mamy do dyspozycji trzy możliwości ustawienia rozdzielczości. Są to 4 ½, 5 ½ oraz 6 ½ cyfry. Podczas włączenia multimetru rozdzielczość ustawiana jest automatycznie na 5 ½ cyfry. Wraz ze wzrostem rozdzielczości rośnie dokładność wykonywanych pomiarów kosztem szybkości pomiaru. Tabela 3.1 Sposób ustawiania rozdzielczości Lp Przycisk Co ustawiamy 1 Przełączenie ze stanu Auto na Manualny Auto/Man 2 Shift + Ustawienie rozdzielczości 5 ½ 3 Shift + Ustawienie rozdzielczości 4 ½ 4 Shift + Auto/Man Ustawienie rozdzielczości 6 ½ Ustawić automatyczny tryb wyboru zakresu pomiarowego (patrz tabela 3.2), co zabezpiecza multimetr przed niekontrolowanym przekroczeniem zakresu i uszkodzeniem miernika. Multimetr HP 34401A ma dwa tryby wyboru zakresu pomiarowego automatyczny i manualny. Tryb automatyczny jest ustawiany domyślnie podczas załączenia multimetru, bądź jego zresetowaniu. Uwaga: Przejście w stan manualny i przekroczenie dopuszczalnej wartości zakresu doprowadzi do uszkodzenia multimetru. Jeżeli mierzymy w trybie manualnym, należy ustawić zakres stosownie do mierzonej wartości przed jej pod podłączeniem do miernika. Tabela 3.2 Sposób ustawiania zakresu Lp Przycisk Co ustawiamy 1 AC lub DC Pomiar napięcia przemiennego lub stałego 2 Auto/Man Przełączenie ze stanu Auto na Manualny 3 lub Zmiana zakresu w górę lub w dół Przełączyć multimetr do pomiaru napięcia przemiennego AC (patrz tabela 3.2). Stworzyć układ pomiarowy jak na rys. 3.1, a następnie przystąpić do pomiarów. 11

12 Rys Schemat układu pomiarowego. Włączyć generator oraz oscyloskop i ustawić generowanie sygnału sinusoidalnego o częstotliwości rzędu kilkuset Hz (np. ~200Hz), amplitudzie 2V (wartość międzyszczytowa 4V) i zerowej wartości składowej stałej. Zdefiniować dla oscyloskopu w trybie pomiarowym (Measure) funkcje pomiarowe: wartość skuteczna (RMS), wartość międzyszczytowa (Peak to Peak), wartość średnia (Mean), częstotliwość (Frequency), oraz okres (Period). Wybierając odpowiedni klawisz funkcji z menu klawiatury miernika HP 34401A, dokonać pomiarów tych samych parametrów, co za pomocą oscyloskopu (za wyjątkiem niedostępnej w mierniku funkcji pomiaru wartości międzyszczytowej). Porównać wskazania przyrządu HP34401A i oscyloskopu. Zwrócić uwagę, że pomiar wartości skutecznej sygnału z niezerową wartością składowej stałej za pomocą przyrządu HP34401A wymaga przeprowadzenia dwóch pomiarów (składowej stałej DC oraz wartości skutecznej składowej zmiennej AC) oraz wyznaczenia na ich podstawie wartości: RMS = (DC 2 + AC 2 ) 1/2 (3.1) Wszystkie pomiary przeprowadzić dla 3 kształtów sygnału (sinusoidalny, trójkątny i prostokątny), każdy dla zerowej wartości składowej stałej oraz dla wartości składowej stałej rzędu 2V. Wyznaczyć wartość minimalną, maksymalną i średnią z serii wyników pomiarów wybranej wielkości (patrz tabela 3.3). Multimetr udostępnia funkcje matematyczne odczytywania minimalnej maksymalnej i średniej wartości z serii pomiarów. Po włączeniu min-max można czytać wartość minimum i maksimum, natomiast naciskając shift > (Menu Recall) odczytujemy wartość średnią. Zapisane wartości kasują się po wyłączeniu, bądź zresetowaniu multimetru. Tabela 3.3 Funkcje matematyczne multimetru Lp Przycisk Wyświetlacz Co ustawiamy 1 Min Max 2 Shift + < A: MEAS MENU Menu pomiarowe 3 > B: MATH MENU Menu matematyczne 4 1: MIN-MAX Funkcja MIN-MAX 5 > odczyt Wartość minimalna 6 > odczyt Wartość maksymalna 7 > odczyt Wartość średnia Włączenie funkcji Minimum/ Maksimum, ponowne naciśnięcie przycisku zatrzymuje rejestrację serii pomiarów 12

13 3.2. Pomiary rezystancji metodą dwu- i czteroprzewodową. W tym ćwiczeniu należy zaobserwować wpływ rezystancji przewodów łączących na wynik mierzonej wartości rezystancji, oraz prześledzić metody kompensacji powstałych błędów. Do pomiarów zastosować: multimetr HP34401A, opornicę dekadową o regulowanej rezystancji, symulator długich przewodów połączeniowych. Rys. 3.2 Schemat układu do dwu- i czteroprzewodowej metody pomiaru rezystancji nastawić rozdzielczość multimetru na wartość 6 ½ cyfry (tab. 3.1), ustawić na badanej opornicy wartość rezystancji równą 10k, a następnie podłączyć ją do multimetru według schematu przedstawionego na rys. 3.2, dokonać pomiaru rezystancji włączając na multimetrze odczyt metodą najpierw dwuprzewodową (klawisz Ω), a potem czteroprzewodową (klawisz Ω4W), ustawić na opornicy kolejno wartości rezystancji 1k, 100 i 10 oraz dokonać odczytów mierzonych wartości obydwoma metodami, przeprowadzić pomiary dla identycznych wartości rezystancji obydwoma metodami, przełączając mierzoną rezystancję dekadową do wejścia długich przewodów łączących opornicę dekadową z multimetrem (rys zaciski z lewej strony symulatora długich przewodów). Porównać wyniki pomiarów rezystancji metodą czteroprzewodową przy długich i krótkich przewodach łączących Pomiary rezystancji metodą porównawczą. Metoda porównawcza polega ona na pomiarze spadków napięcia na oporniku badanym R x, i wzorcowym R w, przez który płynie ten sam prąd, niezmienny podczas obu pomiarów. Wykonanie pomiaru stosunku napięć Ratio DC pozwala uzyskać wprost stosunek spadków 13

14 napięć na opornikach. Jeśli zmierzone napięcie na rezystancji R x wynosi U x, a na rezystancji R w U w, to prąd płynący przez oporniki określa zależność : skąd: U x U w I (3.2) R R x w w U x Rx Rw (3.3) U Przystąpić do następujących czynności : - zbudować układ pomiarowy przedstawiony na rys. 3.3, stosując jako R x opornicę dekadową, a jako opornik wzorcowy R w cztero-zaciskowy o wartości 1000Ω. Rys. 3.3 Schemat układu pomiarowego metody porównawczej - włączyć na multimetrze pomiar ilorazu napięć Ratio DC (patrz tabela 3.4), Funkcja Ratio DC umożliwia pomiar ilorazu dwóch napięć stałych podanych odpowiednio na wejścia INPUT i SENSE multimetru. Zmiany zakresu i rozdzielczości przy pomiarze ilorazu napięć odnoszą się tylko do sygnału podanego na wejście INPUT. Maksymalna różnica potencjałów LO input, a LO sense nie może przekroczyć 2V, natomiast HI input, a HI sense 12V Tabela 3.4. Sposób ustawiania funkcji pomiarowej DC/DC Lp Przycisk Wyświetlacz Co ustawiamy 1 Shift + < A: MEAS MENU Włączenie menu pomiarowego 2 1: AC FILTER 3 > 2: CONTINUITY 4 > 3: INPUT R 5 > 4: RATIO DC Wybór trybu Ratio DC 6 DC/DC Ustawienie pomiaru ilorazu napięć 7 odczyt Odczyt wartości Auto/Man 14

15 - wyliczyć szukaną wartość rezystancji, kierując się przedstawionymi wzorami, Ratio DC signal U I R R x x x Ratio Rx Ratio Rw (3.4) DC reference U w I Rw Rw - zamieścić w sprawozdaniu otrzymane wyniki, oraz oszacować wartość maksymalną błędu, biorąc pod uwagę następujące zależności: gdzie: R x R U U (3.5) w R w - błąd opornika wzorcowego (klasa dokładności 0.01) x w U x - błąd pomiaru napięcia (DC signal) U w - błąd pomiaru napięcia (DC reference) Błąd odczytu multimetru związany jest z wybraną funkcją pomiarową, zakresem i wartością sygnału wejściowego. Sumaryczny błąd odczytu określa się wzorem: Total Measurement Error % of input error 100 (3.6) Input Signal Level Przykład : Przy sygnale wejściowym (input signal) o wartości 5 V i nastawionym zakresie (range) 10V sumaryczny błąd graniczny wynosi ± ( % odczytu % zakresu) dla stabilności 24 godzinnej (1 kolumna zamieszczonej poniżej tabeli 3.5 zawierającej specyfikację dokładności przyrządu). Sposób wykonywania obliczeń błędu: 15

16 Tabela 3.5. Specyfikacja dokładności multimetru HP 34401A 4. Zastosowanie uniwersalnego multimetru HP34401A do pomiaru temperatury przy wykorzystaniu zintegrowanego czujnika temperatury AD22100 z ilorazowym wyjściem napięciowym (DC/DC). AD22100 jest monolitycznym czujnikiem temperatury, w którym temperatura jest przetwarzana w sposób proporcjonalny na iloraz napięcia wyjściowego do napięcia zasilania (ratiometric output sensor). Połączyć czujnik zgodnie ze schematem przedstawionym na rys HP 34401A HI HI Multimetr HP LO LO Wyjście (czarny) AD2210 ZR (żołty) Zasilanie (czerwony) GND (niebieski) Zasilacz 5V Rys.4.1. Schemat układu do pomiaru temperatury za pomocą czujnika AD22100, połączonego z multimetrem HP34401A w układzie ratio DC/DC. 16

17 Nominalna funkcja przetwarzania czujnika AD22100 przy sygnale zasilającym U zas wynosi: gdzie: U wyj U zas T U wyj - napięcie wyjściowe czujnikaw w [V] - napięcie zasilania czujnika w [V] - mierzona temperatura otoczenia [C] U zas mv (1.375V 22.5 T) (4.1) 5V C Zależność (4.1) można przedstawić w zwartej formie: U U wyj zas S T b (4.2) gdzie: S czułość czujnika, b offset czujnika wynoszą odpowiednio: 1 S , b (4.3) C Poszukiwaną wartość temperatury można wyznaczyć na podstawie (4.2) przy uwzględnieniu (4.3): U wyj b U zas T (4.4) S 17

18 Spis aparatury: 1. Obiekt pomiarowy woltomierz V Zasilacz laboratoryjny serii NDN DF1700S 3. Dzielnik napięcia typ Dna Generator funkcyjny serii FG Oscyloskop cyfrowy typ TektronixTDS1012B lub Rigol DS1104B 6. Multimetr cyfrowy MXD-4660A 7. Multimetr cyfrowy HP 34401A 8. Symulator długiego kabla 9. Opornik dekadowy 10. Opornik normalny 1000 Ω 11. Zasilacz laboratoryjny 18