© Farkas György : Méréstechnika MÉRŐMŰSZEREK Elektromos és elektronikus eszközök Az analóg és a digitális műszerek általános alapjai
© Farkas György : Méréstechnika A mérendő mennyiséget adó egység MÉRŐMŰSZER A mérendő mennyiséget adó egység Mérőműszer
© Farkas György : Méréstechnika MÉRŐMŰSZER DUT Mérő műszer
© Farkas György : Méréstechnika Mérőműszerek Feszültség Áram Frekvencia, idő Jelalak Teljesítmény A rendszerjellemzők passzív mérőeszközei
Elektromechanikus elektronikus műszerek összehasonlítása © Farkas György : Méréstechnika Elektromechanikus elektronikus műszerek összehasonlítása Az elektronikus Kell táplálás A túlvezérlést tűri Az érzékenység növelhető Alig terheli a mérendőt Programozható Nagyobb értéktartomány ÁR egykor és ma ??? Az elektromechanikus Nem kell tápenergia A túlvezérlés károsítja Érzéketlen Jelentősen terhelhet Egyszerűbb felépítésű Csak DC és 50 Hz ÁR egykor és ma ???
Elektromechanikus elektronikus műszerek összehasonlítása © Farkas György : Méréstechnika Elektromechanikus elektronikus műszerek összehasonlítása Az elektronikus Kell táplálás A túlvezérlést tűri Az érzékenység növelhető Alig terheli a mérendőt Programozható Nagyobb értéktartomány ÁR egykor és ma ??? Az elektromechanikus Nem kell tápenergia A túlvezérlés károsítja Érzéketlen Jelentősen terhelhet Egyszerűbb felépítésű Csak DC és 50 Hz ÁR egykor és ma ???
© Farkas György : Méréstechnika TARTOMÁNYOK MÉRÉSI MŰKÖDÉSI TÚLTERHELÉS
A mérési tartomány határainak túllépése és a visszatérés lehetősége © Farkas György : Méréstechnika A mérési tartomány határainak túllépése és a visszatérés lehetősége MÉRÉSI MŰKÖDÉSI
© Farkas György : Méréstechnika Analóg műszernél a túlterhelt állapotokból nincs visszatérési lehetőség MÉRÉSI MŰKÖDÉSI TÚLTERHELÉS
© Farkas György : Méréstechnika ANALÓG KIJELZÉS Skála F FULL KITÉRÉS D = / F
Az analóg kijelzés tartományai © Farkas György : Méréstechnika Az analóg kijelzés tartományai Működési tartomány Túl-vezér- lés Túl- vezér- lés Mérési tartomány
© Farkas György : Méréstechnika DIGITÁLIS KIJELZÉS 0000 … 0001 ... 9999 Felbontás = 1 NF (full)
© Farkas György : Méréstechnika A mutatott mennyiséget: M kétféleképen lehet közölni: Analóg kijelzés Digitális kijelzés mutató & skála + ember folytonos értékkészlet M = D • MF D = (0,1), DF = 1 érzékenység: É = D/M lineáris:É = D/M = 1/MF számkijelzés diszkrét értékkészlet M = N N = 1, 2, 3,…NF felbontás pszeudó analóg kijelzés
© Farkas György : Méréstechnika PSEUDO ANALÓG Például kivezérlés jelző Előnyösebb egy analóg kijelzés a digitálisnál, ha maximumot - minimumot kell keresni..
© Farkas György : Méréstechnika Egyenfeszültség és egyenáram mérése villamos műszerrel (Nem elektronikus készülékek) MÚZEUM ??? Forgótekercses áram (feszültség) mérő („Deprez”, még gyakran használatos) Lágyvasas áram (feszültség) mérő igazi effektív értéket mér, de nemlineáris a skálája és csak 50 Hz. Elektrodinamikus műszerek
FORGÓTEKERCSES („DEPREZ” RENDSZERŰ) MŰSZER © Farkas György : Méréstechnika FORGÓTEKERCSES („DEPREZ” RENDSZERŰ) MŰSZER mutató mágnes tekercs tengely tekercs
FORGÓTEKERCSES („DEPREZ” RENDSZERŰ) © Farkas György : Méréstechnika FORGÓTEKERCSES („DEPREZ” RENDSZERŰ) tengelyek mutató TEKERCS csapágyak tekercs
FORGÓTEKERCSES („DEPREZ” RENDSZERŰ) © Farkas György : Méréstechnika FORGÓTEKERCSES („DEPREZ” RENDSZERŰ) A tekercs két oldalán egy-egy spirálrugó van. Ezek adják az eltérítéssel arányos visszatérítő nyomatékot. De egyben ezekkel oldják meg a hozzávezetők csatlakoztatást. tekercs
FORGÓTEKERCSES nyomatéki egyensúly © Farkas György : Méréstechnika FORGÓTEKERCSES nyomatéki egyensúly - mR mV m D
FORGÓTEKERCSES nyomatéki egyensúlya © Farkas György : Méréstechnika FORGÓTEKERCSES nyomatéki egyensúlya Forgató nyomatékok Villamos: mv = kv I Rugó: mR = - kRD Egyensúly: m = 0 mv = - mR Kitérés D = k I Surlódás, lengés, fékezés is van: mS
FORGÓTEKERCSES nyomatéki egyensúly © Farkas György : Méréstechnika FORGÓTEKERCSES nyomatéki egyensúly - mR m mV mS D HIBA !
A FORGÓTEKERCSES MŰSZER nyomatéki egyensúlya © Farkas György : Méréstechnika A FORGÓTEKERCSES MŰSZER nyomatéki egyensúlya m = 0 : EGYENSÚLY mv - mR : SÚRLÓDÁS NÉLKÜL ha mS = 0 : LENGÉSEK KELETKEZNEK ha mS nagy : MÉRÉSI HIBA KELETKEZIK mv = - (mR + mF) : mF FÉKEZÉS LEGYEN Uind dD/dt : INDUKÁLT FESZÜLTSÉG IF dD/dt / R kFmF : FÉKEZÉSRE ALKALMAS Megoldás: rövidre zárt menet = a tekercs fém kerete! Szállításkor, mozgatáskor: a kapcsokat rövidre zárni !
FORGÓTEKERCSES („DEPREZ” RENDSZERŰ) © Farkas György : Méréstechnika FORGÓTEKERCSES („DEPREZ” RENDSZERŰ) A tekercs fém kereten van. Ez a keret egy rövidrezárt menetet alkot. TEKERCS tekercs
Váltakozó feszültség esetén az effektív érték megadása „szokásos” © Farkas György : Méréstechnika Váltakozó feszültség esetén az effektív érték megadása „szokásos” U2eff = 1 T [u(t)]2 dt Szinuszos feszültségnél: u(t) = U0 sin t Ueff = U0 / √ 2
Váltakozó feszültség esetén az effektív érték megadása „szokásos” © Farkas György : Méréstechnika Váltakozó feszültség esetén az effektív érték megadása „szokásos” de a műszerek közül a legtöbb vagy az átlagértéket, vagy a csúcsértéket méri és csak kevés különleges eszköz méri ténylegesen az effektív értéket. Viszont kívánatos lenne, hogy az effektív értéket mutassa az eszköz. Az átlag és az effektív értékek közötti kapcsolat jelalak-függő, ezért az „átszámítás” csak szinuszos esetre érvényes!
© Farkas György : Méréstechnika ÁTLAG EGYENIRÁNYÍTÁS 1 T Uá = |u(t)| dt Szinuszos feszültség esetén: u(t) = U0 sin t Uá = U0 2/ U0 / 1,57 Átlagot mér, de a szinuszos jelalakra vonatkozó effektívet értéket mutat: Uá = 1,41 ( /2) UM = 0,9 UM
© Farkas György : Méréstechnika CSÚCS EGYENIRÁNYÍTÁS Ucsúcs = UMax ? Ucsúcs = Umin ? Szinuszos feszültség esetén: Ucsúcs = U0 UM = U0 / Csúcsértéket mér, de a szinuszos jelalakra vonatkozó effektívet értéket mutat: Ucsúcs = 1,41 UM
© Farkas György : Méréstechnika Váltakozó feszültség mérő egyenárammal működtetett analóg mutatós műszerrel (Deprez) CSÚCSEGYENIRÁNYÍTÁS Főleg elektronikus műszerekben Csúcsértékképzés A csúcs szint megtartása Ha közben változik a mért feszültség, a csökkenést is érzékelni kellene (a növekedés persze látszik) A pozitív és a negatív csúcsérték különböző is lehet, ekkor polaritás-függő az eredmény! ÁTLAG EGYENIRÁNYÍTÁS Főleg elektromechanikus műszerekben Abszolútérték képzés + integrálás Graetz eir. + átlagolás Az átlagolást (integrálást) az elektromos műszer mechanikai tehetetlensége valósítja meg. Ha mérendő frekvencia nem sokkal nagyobb a mechanikai lengőrendszer rezonancia frekvenciájánál: ingadozás
ELEKTRONIKUS MÜSZEREK © Farkas György : Méréstechnika ELEKTRONIKUS MÜSZEREK
ELEKTRONIKUS MÜSZEREK Energia ellátást igénylő, „aktív” elemeket tartalmaznak: IC, tranzisztor, katódsugárcső, (régen elektroncső) A működést blokkrajzzal mutatjuk be A blokk: funkcionális egység a blokk tápellátását nem ábrázoljuk a be- és kimenetek „jelzések” (nem „vezetékek”) A blokk funkcióját a beleírt (rövidített) szöveg, vagy jelkép adja meg.
©Farkas György : Méréstechnika Néhány jelölés INPUT OUTPUT OSC MIX =
©Farkas György : Méréstechnika Átlagérték mérése Abszolút érték képző Átlagoló Kijelző
© Farkas György : Méréstechnika Valódi effektív érték mérésére szükség van rá például torzítás és zaj méréskor Ueff = T U2(t) dt 1 Négyzetre emelés: digitális műszerben: számítástechnikával analóg műszerben: törtvonalas karakterisztikával Integrálás: digitális műszerben: számítástechnikával analóg műszerben: átlagképzés az elektromechanikus műszer tehetetlen tömege révén Gyökvonás: digitális műszerben: számítástechnikával analóg műszerben: a mutatós műszer megfelelő skálázásával
Valódi effektív érték mérés Hőhatáson alapuló módszerrel © Farkas György : Méréstechnika Valódi effektív érték mérés Hőhatáson alapuló módszerrel Elv: P’ = f1 (Ueff) ’ = f2 (P) U’DC = f3 (’) R’= R” UDC = f4 () Uki = A UDC ha A >>1 (A ) UDC << U’DC ( UDC 0) 0, P’ P” Uki Ueff P’ ’ Ueff P’ ’U’DC Ueff Uki UDC R’= R” A Uki P” ” ”U”DC UDC = U’DC - U”DC 0
©Farkas György : Méréstechnika A csúcsérték mérése Rtöltő C Rkisütő töltő = Rtöltő C kisütő = Rkisütő C Ideális eset: Rtöltő = 0, Rkisütő = ? Mi lesz az eredmény, ha mérés közben nő a feszültség ? …de mi lesz, ha csökken a feszültség, vagy ha véletlenszerűen ingadozik?
Egyenfeszültségű analóg elektronikus voltmérő ©Farkas György : Méréstechnika Egyenfeszültségű analóg elektronikus voltmérő INPUT Az INPUT egység fokozatkapcsolós feszültségosztó a bemeneti ellenállás állandó, és nagy értékű ( általában > 10 M) Az erősítő DC és egyben ellátja a kijelző védelmét (limitál).
Szélessávú analóg elektronikus voltmérő ©Farkas György : Méréstechnika Szélessávú analóg elektronikus voltmérő INPUT Az INPUT egység: kompenzált feszültségosztó elválasztó erősítő kisellenállású többfokozatú feszültségosztó Az erősítő szélessávú AC (limitál is) az egyenirányítót kis impedanciával táplálja
Nagyfrekvenciás analóg elektronikus voltmérő ©Farkas György : Méréstechnika Nagyfrekvenciás analóg elektronikus voltmérő Az INPUT egység egyenirányító, ezt követi a feszültségosztó és a DC erősítő.
© Farkas György : Méréstechnika TELJESÍTMÉNYMÉRÉS Pillanatérték: p(t) = u(t) i(t)
© Farkas György : Méréstechnika TELJESÍTMÉNYMÉRÉS Pillanatérték: p(t) = u(t) i(t) Átlagérték: P = 1 T p(t)dt
© Farkas György : Méréstechnika TELJESÍTMÉNYMÉRÉS Pillanatérték: p(t) = u(t) i(t) Átlagérték: Szinuszos eset: Pösszes = Ueff Ieff [VA] Phasznos = Ueff Ieff cos [W] Pmeddő = Ueff Ieff sin [W] P = 1 T p(t)dt
TELJESÍTMÉNYMÉRÉS OHMOS TERHELÉSEN © Farkas György : Méréstechnika TELJESÍTMÉNYMÉRÉS OHMOS TERHELÉSEN = 0 Phasznos = Ueff Ieff cos Phasznos = Ueff Ieff I = U / R P= U2/R
©Farkas György : Méréstechnika 3 árammérős módszer I0 I1 I2 Zt R U U = I2 R
©Farkas György : Méréstechnika 3 árammérős módszer I0 I1 R Zt U Î0 Î1 I2 Î2 I2 = U/R I0 = I1 + I2
©Farkas György : Méréstechnika 3 árammérős módszer Î0= Î1+ Î2 I02= I12+ I22 – 2I1I2 cos cos = - cos Phasznos = I1U cos Î0 Î1 Phasznos =I1I2 R cos Î2 Phasznos = (I12+ I22 –I02) R / 2
3 fázisú rendszer 0 vezetővel ©Farkas György : Méréstechnika 3 fázisú rendszer 0 vezetővel P1 = I1 U1 P2 = I2 U2 P3 = I3 U3 P = P1 + P2 + P3
3 fázisú rendszer ha nincs 0 vezető ©Farkas György : Méréstechnika 3 fázisú rendszer ha nincs 0 vezető U1 U2 U3 - I3 = I1 + I2 Pa = (U1 - U3 ) I1 Pb = (U2 - U3 ) I2 Pa + Pb = U1 I1 + U2 I2 - U3 ( I1 + I2 ) = P1 + P2 + P3
Elektrodinamikus műszer ©Farkas György : Méréstechnika Elektrodinamikus műszer Jelölés: I’ I U Zt R Kitérés: D = É I’eff Ieff cos I’eff = Ueff / R D = É Ueff Ieff cos
TELJESÍTMÉNYMÉRÉS SZORZÓ ÁRAMKÖRREL © Farkas György : Méréstechnika TELJESÍTMÉNYMÉRÉS SZORZÓ ÁRAMKÖRREL SZORZÓ U1 U2 U3 u3(t) = k u1(t) u2(t)
TELJESÍTMÉNYMÉRÉS SZORZÓ ÁRAMKÖRREL © Farkas György : Méréstechnika TELJESÍTMÉNYMÉRÉS SZORZÓ ÁRAMKÖRREL SZORZÓ U1 U2 U3 u3(t) = k u1(t) u2(t) Szinuszos esetben: u(t) = ueff cos t i(t) = ieff cos (t+)
TELJESÍTMÉNYMÉRÉS SZORZÓ ÁRAMKÖRREL © Farkas György : Méréstechnika TELJESÍTMÉNYMÉRÉS SZORZÓ ÁRAMKÖRREL u3(t) = k u1(t) u2(t) u1(t) = k1 u(t) u2(t) = k2 i(t) u3(t) = k u(t) i(t) Szinuszos esetben: nT P = (k / nT) u3(t) dt = k Ueff Ieff cos 0
TELJESÍTMÉNYMÉRÉS SZORZÓ ÁRAMKÖRREL © Farkas György : Méréstechnika TELJESÍTMÉNYMÉRÉS SZORZÓ ÁRAMKÖRREL A bizonyításhoz: cos t • cos (t+) = ½ [cos (2t+) + cos] nT P = (k/nT) u3(t) dt = 0 = (k/nT) ( )2 (nT/2) Ueff Ieff cos
© Farkas György : Méréstechnika FREKVENCIA MÉRÉS A digitális mérési módszerek általában sokkal nagyobb pontosságot adnak. Egyes esetekben azonban célszerűbb analóg mérőműszert alkalmazni. (Folytonos megfigyelés szükséges például beállítások, hangolások esetén. Ilyenkor egy analóg (mutatós) kijelzés előnyösebb, mint ha a számok ugrálnának.)
FREKVENCIAMÉRÉS REZONANCIA MÓDSZERREL © Farkas György : Méréstechnika FREKVENCIAMÉRÉS REZONANCIA MÓDSZERREL Pontatlan (10-2), csak pontosabb módszerek kiegészítéseként alkalmazzuk. maximum Laza csatolás
Közvetlenül mutató analóg frekvenciamérő ©Farkas György : Méréstechnika Közvetlenül mutató analóg frekvenciamérő 1/T UNI U f u(t) U Az UNI egység uniformizált, azaz állandó szélességű és állandó amplitúdójú impulzusokat ad a bemeneti jellel szinkronban. Ennek az átlaga a frekvenciával arányos. Ti TP U0 U = U0 Ti / TP u(t) U 1 / TP
Szelektív (fix frekvenciás) analóg elektronikus voltmérő ©Farkas György : Méréstechnika Szelektív (fix frekvenciás) analóg elektronikus voltmérő INPUT Az INPUT egység: fokozatkapcsolós (esetleg több fokozatú) feszültségosztót és esetleg sávszűrőt tartalmaz Az erősítő szelektív, egy adott szűk frekvencia tartományban nagy az erősítése, az alatt és afelett nulla. A keskenysávú szűrő a jelek, zavarok közül csak az adott frekvenciájú komponens engedi az egyenirányítóra, így csak annak a nagyságát mérjük a többitől elválasztva.
FREKVENCIAMÉRÉS OSZCILLOSZKÓPPAL © Farkas György : Méréstechnika FREKVENCIAMÉRÉS OSZCILLOSZKÓPPAL Nagyon pontatlan (10-1), ha az időalap eltérítési kalibrációját használjuk. Igen pontos Lissa’jous módszerrel, ha a referencia generátor frekvenciája pontos, hiszen 1/10 Hz-esnél kisebb frekvencia eltérés is észlelhető, és ez az eltérés akár GHz-re vonatkozhat! (10-11)
© Farkas György : Méréstechnika A HETERODYN ELV
©Farkas György : Méréstechnika A HETERODYN ELV fki A keverés a rádió, tv. stb. vételtechnika alapmódszere. Lényege az fbe frekvenciájú jelnek egy saját, „helyi” oszcillátor fo frekvenciájú jelével való keverése. OSC INP MIX fbe fo Tehát fki: fbe, fo, 2fbe , 2fo stb. és fbe-fo , 2fbe-fo , fbe-2fo , 2fbe-2fo stb., stb. A keverő kimenetén megjelenő jel frekvenciái: fki = n fbe + mfo > 0 ahol n, m = 0, 1, 2, 3… n=1 és m=-1 esetén: fki= f = fbe- fo
©Farkas György : Méréstechnika A HETERODYN ELV fki= f = fbe- fo fki OSC INP MIX fbe fo SZŰRŐ f fbe fo
©Farkas György : Méréstechnika A HETERODYN ELV fki OSC INP MIX fbe fo SZŰRŐ Uki f fbe fo f = fbe- fo fH Ha a szűrő aluláteresztő fH határfrekvenciával Uki
©Farkas György : Méréstechnika A HETERODYN ELV fki OSC INP MIX fbe fo SZŰRŐ Uki f fbe fo f = fbe- fo fH Ha a szűrő aluláteresztő fH határfrekvenciával Uki vagy inkább
Szelektív hangolható analóg feszültségmérő („heterodyn” elv) ©Farkas György : Méréstechnika Szelektív hangolható analóg feszültségmérő („heterodyn” elv) INPUT MIX OSC INPUT = osztót és szűrőt tartalmaz (szűrés: a tükörfrekvenciára, felharmonikusokra) OSC = oszcillátor (hangolható, hiteles frekvenciájú) MIX = keverő (nemcsak a frekvencia különbséget állítja elő!) A sávszűrő (keskenysávú aluláteresztő)
Spektrum analizálás (az analóg kijelzéses alapelve) ©Farkas György : Méréstechnika Spektrum analizálás (az analóg kijelzéses alapelve) Y INPUT MIX X OSC FG INP = bemeneti egység: osztó, sávszűrő MIX = keverő OSC = FM oszcillátor FG = fűrészfog generátor („ramp”) A szűrő aluláteresztő
©Farkas György : Méréstechnika A HETERODYN ELV fki OSC INP MIX fbe fo SZŰRŐ Uki f fbe fo f = fbe- fo f1 f2 Ha a szűrő sávszűrő f1 f2 határfrekvenciával Uki
©Farkas György : Méréstechnika A HETERODYN ELV fki OSC INP MIX fbe fo SZŰRŐ Uki f fbe f1 f2 Ha a szűrő sávszűrő f1 f2 határfrekvenciával fo ha kisfrekvenciás Uki
FREKVENCIAMÉRÉS ANALÓG HETERODYN ELVEN ©Farkas György : Méréstechnika FREKVENCIAMÉRÉS ANALÓG HETERODYN ELVEN MIX SZŰRŐ INP A szűrő aluláteresztő f < f szűrő OSC Q A keverő létrehoz harmonikusokat is!
FREKVENCIAMÉRÉS ANALÓG HETERODYN ELVEN ©Farkas György : Méréstechnika FREKVENCIAMÉRÉS ANALÓG HETERODYN ELVEN SZŰRŐ INP MIX A kvarcoszcillátorral hitelesíteni lehet a hangolható oszcillátort OSC Q