Mérés és adatgyűjtés levelező tagozat Elektromos mennyiségek mérése Mingesz Róbert 2014. március 28.

Tartalom Elektromos mennyiségek mérése A/D konverterek alkalmazásai Védelmi kategóriák Digitális multiméterek Tápegységek

Reklám

Honlap: http://www.noise.inf.u- szeged.hu/Research/cefaic/ Facebook oldal: www.facebook.com/cefaic Jövő héttől kvíz kérdések pluszpontokért

Kvíz kérdések – szabályok Egy személy: csak egy válasz Több válasz esetén egyikért sem jár pont Azonos válaszok esetén Csak az első kap pontot Első x helyes válasz (csak ha így van kiírva a kérdés) Kapható pluszpont: 1-3 Feladat nehézségétől valamint választól függő

Feszültség mérése

Feszültségmérő bekötése Párhuzamosan kötjük az áramkörbe Az áramkört nem kell megszakítani

Reális feszültségmérő Ideális feszültségmérő nem vezet Reális feszültségmérő: véges belső ellenállás ( 𝑅 M ) Helyettesítő kép:

Műszer belső ellenállása 𝑅 b : a feszültségforrás belső ellenállása (impedanciája) 𝑅 M : a műszer belső/bemenő ellenállása

Példa belső ellenállásra 𝑅 b =100 kΩ, 𝑅 𝑀 =1 MΩ, 𝑈=10 V 𝑈 M =𝐼∙ 𝑅 M = 𝑈 𝑅 b + 𝑅 M 𝑅 M = 10 V 100 kΩ+1MΩ ∙1 MΩ 𝑈 M =9,09 V A feszültségmérés relatív hibája: ℎ=9,09 %

Példa belső kapcsolásra 𝑅 M = 𝑅 2 + 𝑅 1 ∙ 𝑅 3 𝑅 1 + 𝑅 3 𝑈 0 = 𝑉 cc ∙ 𝑅 1 𝑅 1 + 𝑅 3

Bemenő impedancia megadása Bemenő ellenállás Földre van kötve Nincs megadva nulla pont Szivárgó áram Szivárgó áram hatása: ∆𝑈= 𝑅 b ∙ 𝐼 be

A váltakozó jel paraméterei

Egyszerű közép 𝑈 k = 1 𝑇 0 𝑇 𝑈 𝑡 d𝑡 Tiszta szinuszos jel esetén nulla

Effektív középérték (RMS) 𝑈 eff = 1 𝑇 0 𝑇 𝑈 𝑡 2 d𝑡 Az effektív érték annak az egyenfeszültségnek vagy egyenáramnak az erősségének felel meg, melynek teljesítménye egy ohmikus ellenálláson megegyezik az egyen vagy váltóáram teljesítményével.

Abszolút középérték 𝑈 a = 1 𝑇 0 𝑇 𝑈 𝑡 d𝑡 Az egyenirányított jel középértéke

Csúcsérték Peak value Csúcstól-csúcsig amplitúdó (Peak to peak value) a 0/középérték és a maximális érték különbsége Szinuszos jel esetén: amplitúdó Zajok esetén: 3σ Csúcstól-csúcsig amplitúdó (Peak to peak value)

A váltakozó jel paraméterei

Korrekciós tényezők

Mérőkapcsolások

Passzív egyenirányítás Dióda nyitófeszültsége ~ 0,6 V

Aktív egyenirányítás

Kétutas aktív egyenirányítás

Csúcsérték detektor

RMS mérése Termikus konverterek Analóg szorzók Mért jelek digitális feldolgozása Integrált áramkörök

AD8361 - RMS mérő

Áramerősség mérése

Áramerősség mérése Sorosan kötjük az áramkörbe Az áramkört meg kell szakítani!

Áramerősség-mérő belső ellenállása Ideális áramerősség-mérő: jól vezet belső ellenállása 0, a rajta eső feszültség 0 V Reális áramerősség-mérő: véges belső ellenállás feszültség esik az áramerősség-mérőn

Áramerősség-feszültség konverzió Ohm törvény alapján: 𝐼=𝑈/𝑅

További paraméterek

A váltakozó áram teljesítménye Pillanatnyi teljesítmény: 𝑃 𝑡 =𝑈 𝑡 ∙𝐼(𝑡)

Hatásos teljesítmény A fogyasztó által felvett teljesítmény folyamatosan változik Hatásos teljesítmény (átlagos teljesítmény): 𝑃= 𝑈 eff 𝐼 eff cos 𝜑 cos 𝜑 : teljesítménytényező (ideális esetben = 1)

Meddő teljesítmény 𝑃= 𝑈 eff 𝐼 eff sin 𝜑 A fogyasztó és az erőmű között ingázik Szállítása veszteséget termel

3 fázisú feszültség/áram Nagyobb teljesítmények átvitele Kb. konstans teljesítmény

Fogyasztás mérése

Frekvencia mérése – analóg elv Feszültség – frekvencia konverzió Bemenet → jelkondicionálás → rögzített idejű impulzusok → átlagolás

Frekvencia mérése – számlálás Bemenet → jelkondicionálás → impulzusok → időegység alatt érkező impulzusok számlálása

Fáziskülönbség Időkülönbség mérése Fáziskülönbség → kitöltési tényező

Fáziskülönbség mérése

Ellenállás mérése

Ellenállás mérése Ohm törvény alapján 𝑅 x = 𝑈 𝐼 Megjegyzés: az ellenállást mindig ki kell szedni az áramkörből!

Feszültségosztó 𝑈 x =𝑈∙ 𝑅 x 𝑅 x + 𝑅 1 ⇒ 𝑅 x = 𝑅 1 𝑈 x 𝑈− 𝑈 x

Ellenállás mérése áramgenerátorral Előny: a mért feszültség arányos az ellenállással A vezetékek ellenállása hibát okoz 𝑅 x = 𝑅 ref 𝑈 ki 𝑈 ref

Négypontos ellenállásmérés Cél: vezeték ellenállásának kiküszöbölése További alkalmazás: fajlagos ellenállás mérése

Hatpontos ellenállásmérés Áramkörbe épített ellenállások mérése

A/D konverterek meghajtása

Szükséges jelkondicionálás Bemenet impedanciájának növelése Előerősítés Mintavételi szűrés Csatorna kiválasztása Feszültség átskálázása A/D bemenet meghajtása

Követő erősítő

Jel átskálázása Pl. bemenő jel ±1 V Kimenő jel: 0..2,5 V 𝑅 1 𝑅 2 = 1 1,25 , 𝑈 x =0,444 𝑉

Jel átskálázása

Műszererősítő

További kapcsolások

Bemenet túlfeszültségvédelme

D/A kimenet bufferelése

Analóg kapcsolók

Analóg multiplexer

Mintavételi szűrő

Elsőfokú aluláteresztő szűrő 𝑓 𝑐 = 1 2 𝜋 𝑅𝐶

Példák mintavételi szűrőkre

Zavarjelek beszűrődése Kapacitív Ohmikus Induktív

Vezetékek árnyékolása Mágneses árnyékolás Földelt árnyékolás Védő árnyékolás Sodrott érpár

Műszerek védelmi kategóriái http://www.testequipmentdepot.com/applicati on-notes/pdf/safety/abcs-of-multimeter- safety_an.PDF Műszerek védelmi kategóriái

Törvény Ki szerelhet villamos berendezéseket? Mérnökinformatikus NEM! http://www.complex.hu/jr/gen/hjegy_doc.cgi?doc id=A1000021.NFG

Érintésvédelem 1. érintésvédelmi osztály – védőföldelés Mindig földelni kell 2. érintésvédelmi osztály – kettős szigetelés A megérinthető részek vagy műanyagból vannak, vagy a fémrészeken nem lehet veszélyes feszültség (meghibásodás esetén sem). 3. érintésvédelmi osztály – törpefeszültség 50 V alatti feszültség. Leválasztó transzformátor (⇒ földfüggetlen) http://megaohm.hu/index.php/erintesvedelem/erintesvedelmi-osztalyok

Műszerek biztonsága Védelem Túlfeszültség Rövidzár / túláram Ember Berendezések által kelltet Villámok Rövidzár / túláram

Védelmi kategóriák

Védelmi kategóriák Kategória Alkalmazás CAT IV 3 fázisú áram Kültéri vezetékek CAT III Nagyteljesítménű beltéri berendezések Világítás, konnektorok CAT II Hordozható berendezések Hosszabbítók CAT I Védett elektromos berendezések (transzformátor után) Alacsony energiájú nagyfeszültségű rendszerek

Kategóriák tesztelése Kategória Üzemi feszültség Impulzus (20 mérés) Forrás ellenállása CAT I 600 V 2500 V 30 Ω 1000 V 4000 V CAT II 12 Ω 6000 V CAT III 2 Ω 8000 V CAT IV

Multiméter bemenetének védelme

Védelem?

ESD védelem ESD védelem (statikus feltöltődés ellen)

IP védelem Műszer védelme a külső behatásokkal szemben Példa: IP67

Első számjegy: Érintés és idegen test behatolása elleni védettség 0: nincs védettség 1: >50 mm (nagyobb testrészek) 2: >12,5 mm (újjak) 3: >2,5 mm (szerszámok) 4: >1 mm (csavarhúzók, vezetékek) 5: A bejutó por nem akadályozhatja az eszköz működését 6: Nem juthat por az eszközbe

Második számjegy: Víz behatolása elleni védettség 0: nincs védettség 1: Függőlegesen csöpögő víz elleni védettség ... 4: Védelem fröccsenő víz ellen 5: Védelem vízsugár ellen 6: Védelem erős vízsugár ellen 7: Vízállóság 1 m mélységig (30 percig) 8: Vízállóság 1 m mélységig, tetszőleges ideig A bejutó víz nem akadályozza az eszköz működését

Analóg multiméterek

Digitális multiméterek

Multiméterek blokkdiagramja

Multiméter kapcsolási rajza http://www.elenco.com/admin_data/pdffiles/M2666K.pdf

Bemeneti feszültségosztó A bemenő impedancia méréshatártól függetlenül állandó Értéke: 10 MΩ (olcsó multiméterek: 1 MΩ)

Áramerősség mérése A műszer belső ellenállása méréshatárfüggő

Gazdaságos multiméterek Ár: 1000 Ft 3,5 digit NEM MEGBÍZHATÓ! Elem lemerülés jelzése? Kontaktusok minősége?

Multiméterek tulajdonságai Minőség Aranyozott csatlakozók, kapcsolófelületek Elemlemerülés kijelzése Megbízhatóság, gyártó Digitek száma, felbontás Pl. 3,5; 4,5 Pontosság, reprodukálhatóság Függ a méréshatártól (pl. 0,5 % ± 2 dg)

A digit jelentése 3,5 digit: kijelzett érték: -1999 – +1999 (3,75 digit ⇒ kijelzett érték: -3999–+3999) Példa pontosság számolására Méréstartomány: 200 kΩ Felbontás: 0,1 kΩ Pontosság: ±(1,2%+3 d) Mért érték: 85,3 kΩ Maximális hiba: 85,3 kΩ∙0,012+0,1 kΩ∙3

Műszerek tulajdonságai Belső ellenállás Feszültség mérése 𝑅 M =10 MΩ Áramerősség mérése 𝑈 M <0,3 V

További szolgáltatások Automatikus kikapcsolás Szakadásvizsgáló (rövidzárlatok keresése) Reakcióidő? Automatikus méréshatárváltás Max / Min / Memória True RMS AC frekvenciatartomány

További szolgáltatások Frekvencia mérése Kapacitás mérése Tranzisztor vizsgálata Hőmérséklet mérése 4-20 mA-es jeladók fogadása Logikai jelek vizsgálata Háttérvilágítás PC kapcsolat

Példák multiméterekre

METEX M3800 18 000 Ft 3,5 digit DC feszültség 200m/2/20/200V/ 1000V; ±(0.5%+1d) AC feszültség 200m/2/20/200V/ 750V; ±(0.5%+1d)

METEX M3800 DC áram 200µ/2m/20mA/200mA/20A; ±(1.2%+1d) 10 A-es méréshatár 15 s-ig használható AC áram 200µ/2m/20mA/200mA/20A; ±(1.8%+3d) Ellenállás 200/2k/20k/200k­/2M/20M­ ; ±( 1.0%+2d) Diódavizsgálat, tranzisztorvizsgálat, szakadásvizsgálat

UNI-T UT60H 28 000 Ft 4,75 digit DC feszültség 4/40/400V/ 1000V; ±(0.1%+5d) AC feszültség 4/40/400V/ 750V; ±(1%+3d)

UNI-T UT60H DC / AC áram: 400µ/4m/40mA/400mA/10A; ±( 0.8%+10d) 10 A-es méréshatár 15 s-ig használható Ellenállás, kapacitás, frekvenciamérés Hőmérsékletmérés, 4-20 mA áramhurok Dióda-, tranzisztor- és folytonosságvizsgálat AC frekvenciatartomány: 45Hz–1kHz

Fluke 177 85 000 Ft 3,75 digit DC feszültség 0,6 V ... 1000V; ±(0.1%+2d) AC feszültség 0,6 V ... 1000 V; ±(1%+3d)

Fluke 177 DC / AC áram: 60 mA ... 10A; ±( 1%+3d) 10 A-es méréshatár is védett! Ellenállás, kapacitás, frekvenciamérés Dióda-, és folytonosságvizsgálat True-RMS AC frekvenciatartomány: 45Hz–1kHz CAT III 1000 V, CAT IV 600 V

Lakatfogó multiméter Áramerősség mérése az áramkör megszakítása nélkül AC/DC mágneses tér

Asztali multiméterek Ár: 100 000 Ft – 500 000 Ft Nagy pontosság, felbontás, reprodukálhatóság Négypontos mérések

Agilent 34410A 6,5 digit felbontás (1 000 minta/s) 5,5 digit felbontás (10 000 minta/s) LAN, USB, GPIP kapcsolat 50 kΩ adatlogger DC feszültségmérés: 0,003% pontosság 10 MΩ­ vagy 10 GΩ ­ bemenő impedancia AC feszültségmérés: 0,06% pontosság 300 kHz sávszélesség Ellenállás mérése: 2 pontos/4 pontos 100­... 1MΩ ­: 0,01% pontosság 1GΩ ­: 8% pontosság

Agilent 34461a

DC / AC feszültség mérése Méréshatár: automatikus / manuális Apertura: mérési idő Input Z: 10 Mohm / > 10 Gohm AC feszültség szűrő: > 20 Hz; > 200 Hz

Áram mérése Külön csatlakozó a 10 A méréshatárhoz

Ellenállás mérése Alacsony értékű ellenállások mérése: 4 pontos ellenállásmérés

Funkciók Probe Hold: A multiméter megjegyzi a stabil értékeket Math: null, dB, statistics

Funkciók Limits: Küszöbszintek figyelése Histogram: Eloszlás vizsgálata

RLC-mérők Induktivitás/kapacitás mérése Különböző paraméterek (veszteség...) mérése

Source Meter Ellenállás/vezetőképesség mérése Pontosan szabályozható áram/feszültség

Tápegységek

Adapterek

Tápegységek

Laboratóriumi tápegységek Tesztelés alatt álló áramkör tápfeszültségének biztosítása Védelem Túláram Túlfeszültség Rövidzár Mérés Áramfelvétel Fogyasztás

Tenma 72-6615 2x 0-30V 3A áramgenerátor / feszültséggenerátor üzemmód áramerősség és feszültség mérése 5 V 3A ~ 100 eFt

Hameg HMP2030 3 x 0..32V/0..5A, max. 188W 1 mV-os, 0,1 mA-es felbontás Túláram-védelem („FuseLink”) Programozható, PC kapcsolat 450 000 Ft

Rigol DP832A 2 x 0..30V/0..3A; 0..5V/0..3A, max. 195W 1 mV / mA-es felbontás (mérés: 0,1 mV / mA) Túláram-védelem, Programozható, PC kapcsolat DP832: szoftveresen „butított” változat 180 000 Ft

Kijelzés

Jelalakok vizsgálata

Programozás

Agilent N6705B DC Power Analyzer 4 modul, akár 100 V, 100 W Beépített oszcilloszkóp, jelgenerátor Programozható, PC kapcsolat ~ 2 000 000 Ft

Tápegységek tulajdonságai Megbízhatóság Védelem Maximális teljesítmény / áram Működés: Stabilitás Bekapcsolási tranziensek

Köszönöm a figyelmet ... vége ...