Ćwiczenie 1 Wprowadzenie do obsługi multimetrów analogowych i cyfrowych Program ćwiczenia: 1. Pomiar bezpośredni napięcia stałego multimetrem cyfrowym 2. Pomiar bezpośredni napięcia stałego multimetrem analogowym 3. Pomiar bezpośredni rezystancji metodą dwuprzewodową multimetrem cyfrowym 4. Pomiar bezpośredni rezystancji metodą czteroprzewodową multimetrem cyfrowym 5. Pomiar bezpośredni wartości skutecznej napięcia zmiennego multimetrem cyfrowym 6. Pomiar częstotliwości napięcia zmiennego multimetrem cyfrowym z wykorzystaniem funkcji statystycznych Wykaz przyrządów: Multimetr cyfrowy Rigol DM3051 Multimetr analogowy UM 3a/UM 4B/UM 5B Zasilacz NDN Generator Rigol DG1022 Płytka do pomiaru napięcia i zestawy rezystorów (2W i 4W) Literatura: [1] A. Zatorski, R. Sroka, Podstawy metrologii elektrycznej, Wydawnictwo AGH, Kraków 2011 [2] A. Zatorski, Podstawy Metrologii i techniki eksperymentu, Wydawnictwo AGH, Kraków 2006 [3] A. Chwaleba, Poniński M., Siedlecki A. Metrologia elektryczna. WNT, Warszawa 1979, 1991, 1994, 2009 [4] S. Tumański, Technika pomiarowa, Wydawnictwa Naukowo Techniczne, 2007, Warszawa Dokumentacja techniczna przyrządów pomiarowych: [5] Instrukcja obsługi: RIGOL, Multimetry cyfrowe serii DM3000 http://www.kmet.agh.edu.pl > dydaktyka > Materiały dla studentów Strony www: http://www.rigolna.com/ https://www.fluke.com/en us/learn/best practices/test tools basics http://polskiemultimetry.prv.pl/ str. 1
Zakres wymaganych wiadomości do testu: budowa i zasada działania przyrządów analogowych magnetoelektrycznych i elektromagnetycznych, pomiar przyrządem analogowym; pojęcia: skali, podziałki, działki elementarnej, stałej zakresowej, symbole stosowane do opisu przyrządów analogowych, budowa i zasada działania przyrządów cyfrowych, pomiar przyrządem cyfrowym; pojęcia: liczby cyfr znaczących, rozdzielczości, czułości, przetwornik A/C z podwójnym całkowaniem, przetwornik AC/DC pomiar napięcia zmiennego, w tym pojęcie True RMS, przyczyny błędów i niepewności pomiarowych, obliczanie błędów granicznych w pomiarach przyrządem analogowym i cyfrowym str. 2
Charakterystyka multimetru cyfrowego Rigol DM3051 Cyfrowe multimetry laboratoryjne serii DM3000 firmy Rigol są urządzeniami zaprojektowanymi do wykonywania wielofunkcyjnych pomiarów o dużej precyzji, w tym również pomiarów w systemach zautomatyzowanych. W skład serii wchodzą multimetry cyfrowe o rozdzielczości odczytu do 6½ cyfry, charakteryzujące się dużą szybkością akwizycji danych, opcją multipleksera torów pomiarowych do pomiarów automatycznych, funkcją operacji matematycznych, elastyczną konfiguracją czujników użytkownika itp. Przyrządy wyposażono w interfejsy transmisyjne, jak RS 232, USB, LAN czy GPIB, które można wykorzystywać do archiwizacji i wydruku wyników pomiarów. Poniżej zestawiono wybrane parametry eksploatacyjne multimetrów z serii DM3000: Częstotliwość próbkowania do 50kSa/s pozwala na precyzyjne pomiary np. szybkozmiennych przebiegów o częstotliwości akustycznej. Rozdzielczość: 6½ cyfry, maks. odczyt: 2 400 000. 24 funkcje pomiarowe: Prąd stały i zmienny, napięcie stałe i zmienne, rezystancja metodą 2 i 4 przewodową, pojemność, test ciągłości, test diod, częstotliwość, wypełnienie, pomiary względne, pomiary z czujnikami zewnętrznymi itd. Pomiary w trybie dyskryminatora pozwalające na sortowanie wyników test Dobry/Zły. Pomiary z wykorzystaniem operacji matematycznych: maksimum, minimum, wartości graniczne, wartość średnia, dbm, db. Funkcje akwizycji danych: zapis danych, pomiar wielokanałowy, pomiary automatyczne. Pomiary napięć i prądów zmiennych z przetwornikiem rzeczywistej wartości skutecznej True RMS. Wewnętrzna pamięć do 10 grup ustawień parametrów pomiaru i pamięć ustawień przyrządu z wykorzystaniem komputera PC. Monochromatyczny wyświetlacz LCD o rozdzielczości 256x64 piksele. Interfejsy transmisyjne: RS 232, USB, LAN i GPIB. Proste i wygodne w użyciu oprogramowanie pod systemy operacyjne Microsoft Windows: Ultralogger, Ultrasensor i UltraDMM. Rysunek 1 Widok płyty czołowej multimetru cyfrowego Rigol DM3051. str. 3
Charakterystyka multimetrów analogowych Mierniki uniwersalne typu UM 3a/UM 4B/UM 5B są przeznaczone do pomiarów napięcia i prądu stałego oraz przemiennego i rezystancji. Miernik ma ustrój pomiarowy magnetoelektryczny o ruchomej cewce i o magnesie rdzeniowym. Rysunek 2 Widok płyty czołowej multimetru analogowego UM 4b. Rysunek 3 Widok płyty czołowej zasilacza. str. 4
1. Pomiar bezpośredni napięcia stałego multimetrem cyfrowym RIGOL DM3051 Obiektem pomiarowym jest płytka drukowana (oznaczenie Pomiar U ) ze stabilizatorem napięcia LM317. Celem tego punktu ćwiczenia jest wykonanie pomiaru napięcia wejściowego U we i wyjściowego U wy na płytce za pośrednictwem multimetru DM3051. W tym celu: 1) Włączyć zasilacz i ustawić napięcie 6V. 2) Ustawić multimetr w tryb pomiaru napięcia stałego (przycisk ). 3) Spodziewane wartości mierzonych napięć stałych wynoszą kilka woltów w związku z tym zakres mierzonego napięcia na multimetrze należy ustawić na 40V (najmniejszy możliwy). W tym celu należy użyć przycisków Rng+ lub Rng z menu kontekstowego na wyświetlaczu. 4) Połączyć układ zgodnie ze schematem. Pomiar napięcia U we i U wy Źródło napięcia: zasilacz NDN V in LM317 V ou t Multimetr RIGOL Uwe V ad j Uwy V Płytka Pomiar U Powyższemu schematowi odpowiada następujące połączenie elementów: Pomiar napięcia U we i U wy Zworka z przewodu Rysunek 4 Pomiar napięcia stałego multimetrem cyfrowym. str. 5
5) Włączyć wyjście zasilacza (przycisk output ). 6) Zmierzyć wartość napięcia wejściowego i wyjściowego na płytce pomiarowej. Wyniki zanotować w tabeli 1 konspektu sprawozdania. 7) Wyłączyć wyjście zasilacza (przycisk output ). 8) Z tabeli A (patrz załącznik do instrukcji) odczytać wartości współczynników a i b i obliczyć błędy graniczne pomiarów, wg wzorów (Z u zakres napięciowy na którym wykonano pomiar): au b Z gru 100 U gru ZU gru 100 a b U U Przykładowe zagadnienia do opracowania wniosków: Jakie parametry posiadał użyty multimetr cyfrowy i co one oznaczają (liczba cyfr znaczących, rozdzielczość)? Od czego zależą błędy graniczne pomiarów multimetrem cyfrowym? W jaki sposób poprawnie zapisuje się wynik pomiaru? Jak należy dobrać zakres pomiarowy przyrządu aby minimalizować wartość błędu względnego? str. 6
2. Pomiar bezpośredni napięcia stałego multimetrem analogowym UM 3a/UM 4B/UM 5B Podobnie jak w punkcie 1 obiektem pomiarowym jest płytka drukowana (oznaczenie Pomiar U ) ze stabilizatorem napięcia LM317. Celem tego punktu ćwiczenia jest wykonanie pomiaru napięcia wejściowego U we i wyjściowego U wy na płytce za pośrednictwem multimetru analogowego. W tym celu: 1) Włączyć zasilacz i ustawić napięcie 6V. 2) Pokrętłem znajdującym się pod skalą lub z boku obudowy miernika ustawić zero mechaniczne wskazówki. 3) Ustawić multimetr w tryb pomiaru napięcia stałego (dolne pokrętło w pozycji V ). 4) Spodziewane wartości mierzonych napięć stałych wynoszą kilka woltów w związku z tym prawym pokrętłem należy wstępnie ustawić zakres mierzonego napięcia powyżej 20V. 5) Połączyć układ zgodnie ze schematem z rysunku 4. W przypadku multimetrów analogowych, w zależności od modelu, należy wykorzystać zaciski jak na rysunku 5. UM 4B lub UM 5B UM 3a Rysunek 5 Pomiar napięcia stałego multimetrem analogowym. 6) Włączyć wyjście zasilacza (przycisk output ). Dobrać zakres pomiarowy multimetru w taki sposób aby wskazanie ustaliło się w powyżej ½ podziałki. 7) Zmierzyć wartość napięcia wejściowego i wyjściowego na płytce pomiarowej. W tym celu z górnej podziałki multimetru oznaczonej symbolem (napięcie stałe), odczytać i zanotować w tabeli 2 liczbę wskazanych działek, całkowitą liczbę działek na podziałce i zakres pomiarowy. 8) Wyłączyć zasilacz i uporządkować stanowisko. 9) Na podstawie zanotowanych wartości, obliczyć stałą przyrządu i wynik pomiaru w każdym przypadku. 10) Obliczyć błędy graniczne pomiarów wg wzorów (K klasa przyrządu, Z u zakres pomiarowy): K Z U gru gru gru 100 100 U str. 7
Przykładowe zagadnienia do opracowania wniosków: Jaki ustrój pomiarowy posiadał użyty miernik i jakie było jego przeznaczenie (prąd stały czy zmienny)? Na czym polega pomiar z wykorzystaniem przyrządu analogowego (czym różni się od cyfrowego)? Wytłumacz dlaczego dobór zakresu pomiarowego ma duże znaczenie dla otrzymywanej dokładności pomiaru. 3. Pomiar bezpośredni rezystancji metodą dwuprzewodową Obiektem pomiarowym jest płytka drukowana z zestawem rezystorów (oznaczenie Rezystancja 2W ). Celem tego punktu ćwiczenia jest pomiar rezystancji metodą dwuprzewodową za pośrednictwem multimetru cyfrowego RIGOL. W tym celu: 1) Ustawić multimetr w tryb pomiaru rezystancji metodą dwuprzewodową (przycisk ). 2) Ponieważ nie są znane spodziewane wartości rezystancji, więc multimetr należy ustawić na automatyczny dobór zakresu pomiarowego naciskając przycisk Auto w menu kontekstowym. 3) Mierzone rezystory R 1 do R 6 znajdują się na płytce drukowanej. Podłączyć przewody pomiarowe zgodnie z rysunkiem 6. Rysunek 6 Pomiar rezystancji metodą dwuprzewodową. 4) Przełączając zworkę na płytce drukowanej, wykonać pomiary dla trzech wybranych rezystorów. Wyniki zanotować w tabeli 3 konspektu sprawozdania. 5) Na podstawie wartości zmierzonej rezystancji, z tabeli A wybrać i zanotować zakresy pomiarowe na których wykonano poszczególne pomiary. 6) Bazując na danych zawartych w tabeli A obliczyć błędy graniczne pomiarów wg wzorów podanych w punkcie 1. UWAGA! W tabeli A podano współczynniki a i b na podstawie, których wyznaczany jest błąd graniczny dla metody czteroprzewodowej. Dla metody dwuprzewodowej producent multimetru RIGOL zaleca aby wartość błędu granicznego była powiększona o wartość rezystancji str. 8
pasożytniczej wynikającej z rezystancji styków i przewodów pomiarowych. Stąd dla metody dwuprzewodowej należy uwzględnić dodatkową rezystancję 0,2 : a R bzr grr 0, 2 100 Przykładowe zagadnienia do opracowania wniosków: Na czym polega pomiar rezystancji metodą dwuprzewodową (jakie wielkości tak naprawdę są mierzone w celu wyznaczenia R)? Jakie są zalety i wady pomiaru dwuprzewodowego? Czy tą metodą można mierzyć małe rezystancje o małych wartościach? Od czego zależą błędy graniczne pomiaru rezystancji? Odpowiedzi uzasadnij. 4. Pomiar bezpośredni rezystancji metodą czteroprzewodową Obiektem pomiarowym jest płytka drukowana z jednym rezystorem i czterema zaciskami (oznaczenie Rezystancja 4W ). Celem tego punktu ćwiczenia jest pomiar rezystancji metodą czteroprzewodową za pośrednictwem multimetru cyfrowego RIGOL. W tym celu: 1) Ustawić multimetr w tryb pomiaru rezystancji metodą czteroprzewodową (nacisnąć dwukrotnie przycisk, na ekranie powinien pojawić się napis 4WR MODE ). 2) Ponieważ nie są znane spodziewane wartości rezystancji, więc multimetr należy ustawić na automatyczny dobór zakresu pomiarowego naciskając przycisk Auto w menu kontekstowym. 3) Badany rezystor R znajduje się na płytce drukowanej. Podłączyć przewody pomiarowe zgodnie z rysunkiem 7. Rysunek 7 Pomiar rezystancji metodą czteroprzewodową. str. 9
4) Wykonać pomiar, a wynik zanotować w tabeli 4 konspektu sprawozdania. 5) Przełączyć multimetr w tryb pomiaru metodą dwuprzewodową poprzez jednokrotne naciśnięcie przycisku. Wykonać pomiar, a wynik zanotować w tabeli. 6) Bazując na danych podanych w tabeli A obliczyć błędy graniczne pomiarów. 7) Wiedząc, że w celu pomiaru rezystancji o małych wartościach należy stosować metodę czteroprzewodową, można wyznaczyć błąd pomiaru powodowany zastosowaniem niewłaściwej metody dwuprzewodowej (błąd metody). Jego wartości wynoszą: R R 2W 4W R [...] R R 4W R 100 [%] Przykładowe zagadnienia do opracowania wniosków: Na czym polega pomiar rezystancji metodą czteroprzewodową i czym różni się od metody dwuprzewodowej? Kiedy należy stosować metodę czteroprzewodową i jakie są jej zalety? Wytłumacz różnice w wynikach pomiarowych dla tego samego rezystora mierzonego metodą 2W i 4W. 5. Pomiar bezpośredni wartości skutecznej napięcia zmiennego multimetrem cyfrowym Celem tego punktu ćwiczenia jest pomiar wartości skutecznej napięcia zmiennego oraz poznanie bardziej zaawansowanych funkcji multimetru RIGOL. Błędy graniczne w tym przypadku są w multimetrach cyfrowych dużo większe niż w przypadku pomiarów stałoprądowych ze względu na złożoność przetwarzania sygnału. 1) Po włączeniu zasilania multimetr znajduje się w trybie pomiaru ciągłego, to znaczy odczyt wielkości mierzonej następuje z maksymalną częstotliwością próbkowania i jest na bieżąco aktualizowany na ekranie. W tym punkcie ćwiczenia należy zmienić tryb pracy multimetru w taki sposób aby pomiar był wykonywany na życzenie użytkownika. W tym celu należy nacisnąć przycisk na płycie czołowej multimetru. 2) Ustawić multimetr w tryb pomiaru wartości skutecznej (przycisk ). 3) Spodziewane wartości skuteczne mierzonych napięć zmiennych zawierają się w zakresie od 5V do 20V w związku z tym zakres mierzonego napięcia należy ustawić na 20V. W tym celu należy użyć przycisków Rng+ lub Rng z menu kontekstowego na wyświetlaczu multimetru. 4) Źródłem mierzonego napięcia zmiennego jest generator RIGOL. Używając przewodów BNC połączyć układ według schematu z rysunku 8. str. 10
CH1 G V Rysunek 8 Pomiar napięcia zmiennego. 5) Na generatorze ustawić parametry sygnału na kształt: sinus, wartość międzyszczytowa V PP 8V (czyli amplituda 4V), częstotliwość 50Hz. Włączyć kanał CH1 przyciskiem Output. 6) Nacisnąć przycisk, aby wyzwolić pojedynczy pomiar. 7) Odczytać i zanotować w tabeli 5 wynik pomiaru. 8) Powtórzyć czynności z punktów 6 7 dla dwóch większych wartości napięcia. 9) Nacisnąć przycisk History z menu kontekstowego na ekranie multimetru. Funkcja pamięci historycznej pozwala na zachowanie i przeglądanie wyników pomiaru. Zapisane dane mogą być wyświetlane w postaci informacji ogólnej (Info), listy (List) i histogramu (HistoG). Naciskając odpowiednie przyciski kontekstowe wyświetlić historię pomiarów w różnej postaci. 10) Jeżeli nie jest wykonywany następny punkt ćwiczenia wyłączyć przyrządy i uporządkować stanowisko. 11) Bazując na danych podanych w tabeli B obliczyć błędy graniczne pomiarów, wg wzorów podanych w punkcie 1. Przykładowe zagadnienia do opracowania wniosków: Co to jest wartość skuteczna napięcia? Jakie są metody jej pomiaru? W jaki sposób jest realizowany pomiar wartości skutecznej we współczesnych multimetrach cyfrowych? Porównaj wartości błędów granicznych dla pomiaru napięcia stałego i wartości skutecznej i wytłumacz obserwowane różnice. str. 11
6. Pomiar częstotliwości napięcia zmiennego multimetrem cyfrowym z wykorzystaniem funkcji statystycznych Multimetr RIGOL umożliwia odczyt wartości parametrów statystycznych dla serii pomiarów. Na ekranie przyrządu mogą być wyświetlane następujące parametry statystyczne: wartość średnia (Ave), wartość maksymalna (Max), wartość minimalna (Min) wraz z całkowitą liczbą odczytów w serii pomiarów (Total). Celem tego punktu ćwiczenia jest pomiar częstotliwości napięcia zmiennego z wykorzystaniem funkcji statystycznych. W tym celu: 1) Włączyć zasilanie multimetru. Upewnić się, że przycisk świeci w sposób ciągły, co oznacza, że multimetr jest trybie pomiaru ciągłego. Jeżeli jest inaczej nacisnąć przycisk. 2) Ustawić multimetr w tryb pomiaru częstotliwości (przycisk ). 3) Zakres pomiaru częstotliwości jest dobierany automatycznie i wynosi 3Hz 300kHz. 4) Źródłem mierzonego napięcia zmiennego jest generator RIGOL. Używając przewodów BNC połączyć układ według schematu z rysunku 8. 5) Na generatorze ustawić parametry sygnału na kształt: sinus, wartość międzyszczytowa V PP 8V (czyli amplituda 4V), częstotliwość 100Hz. Włączyć kanał CH1 przyciskiem Output 6) Aby w multimetrze wejść w tryb pomiarów statystycznych, należy nacisnąć przycisk, a następnie z menu kontekstowego wybrać kolejno Stats All. Opuścić podmenu naciskając, a następnie włączyć funkcje statystyczne naciskając On. 7) Na ekranie zostaną wyświetlone wszystkie parametry statystyczne. Zmieniając pokrętłem na generatorze częstotliwość sygnału obserwować wartości parametrów statystycznych mierzonej częstotliwości. Po przekroczeniu kilkudziesięciu pomiarów, wstrzymać pomiar naciskając przycisk na multimetrze i zanotować wartości parametrów statystycznych w tabeli 6. 8) Wyłączyć przyrządy i uporządkować stanowisko. str. 12
DODATEK Dokładność pomiarów multimetrem DM3051 TABELA A str. 13
TABELA B str. 14
TABELA C TABELA D str. 15
str. 16