MULTIMETR CYFROWY - PB Wydział Elektryczny

advertisement
Białostocka
Politechnika
Wydział Elektryczny
Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu
METROLOGIA
Kod przedmiotu:
ES1D 200 012
MULTIMETR CYFROWY
Numer ćwiczenia
M 14
Dr inż. Jarosław Makal
Dr inż. Ryszard Piotrowski
Białystok 2016
Ćwicz. M 14 Multimetr cyfrowy
2
Celem ćwiczenia jest poznanie funkcji pomiarowych multimetru cyfrowego,
utrwalenie wiedzy o zasadzie jego działania oraz nabycie umiejętności
stosowania tego przyrządu w eksperymencie pomiarowym.
1. Wprowadzenie

odczas ćwiczenia studenci wykorzystują multimetr cyfrowy do pomiaru
wartości podstawowych wielkości elektrycznych, np. napięcia, prądu,
rezystancji.
Multimetrem nazywany jest przyrząd cyfrowy skupiający w sobie kilka
różnych funkcji pomiarowych, np.
1. Napięcie stałe (DC) i zmienne (AC)
2. Natężenie prądu stałego (DC) i zmiennego (DC)
3. Rezystancję (metodą dwupunktową)
4. Rezystancję (metodą czteropunktową)
P
Multimetr zbudowany jest w oparciu o woltomierz cyfrowy napięcia stałego
o całkowaniu podwójnym, który stanowi centralny obiekt tego przyrządu
pomiarowego. Pozostałe wielkości, które mierzy multimetr są najpierw
przetwarzane na napięcie stałe, które mierzy następnie wspomniany woltomierz.
Woltomierz całkujący spotykany w multimetrach cyfrowych posiada szereg
istotnych zalet:
 stosunkowo wysoką dokładność,
 niezależność wyniku pomiaru od zmian parametrów układu całkującego,
 zdolność tłumienia zakłóceń przemysłowych o częstotliwości sieciowej 50 Hz.
Spotykane w praktyce woltomierze o całkowaniu potrójnym czy
poczwórnym są zdecydowanie mniej rozpowszechnione. Stosowane w nich
sposoby pomiaru mają na celu złagodzenie zasadniczej wady woltomierzy
całkujących, to znaczy małej szybkości pomiaru. Cykl pomiarowy woltomierzy
o całkowaniu podwójnym wynosi bowiem przeciętnie ok. 100 ms. Dla porównania taki sam cykl dla woltomierzy cyfrowych kompensacyjnych jest rzędu
kilkuset nanosekund.
Ważne:
Metoda podwójnego całkowania jest omawiana m.in. na wykładzie z Metrologii,
a jej opis znajduje się praktycznie w każdej literaturze z podstaw miernictwa.
3
Ćwicz. M 14 Multimetr cyfrowy
Pomiar skutecznej wartości napięcia sinusoidalnego
Większość multimetrów cyfrowych mierzy poprawnie wartość
skuteczną tylko napięcia sinusoidalnego. Układ woltomierza stanowiącego
rdzeń multimetru całkuje wyprostowane jednopołówkowo napięcie sinusoidalne
(rys. 3), co jest podstawą do określenia jego wartości średniej, a następnie
skutecznej.
UX(t)
UXm
UXœr  0,32UXm
0,32UXm
t
0

2
Rys. 1. Napięcie sinusoidalne wyprostowane jednopołówkowo
Związek między wartością średnią Uxśr napięcia wyprostowanego jednopołówkowo i skuteczną UXsk napięcia sinusoidalnego ux = UXm sin(t) dany jest
zależnością:
U Xsr 
U
2U X sk
1 
1 
u

t

d

t

U X m sint   d t   X m 
x   


2 0
2 0


Zwróćmy uwagę, że współczynnik 2 wiążący amplitudę z wartością
skuteczną jest prawdziwy tylko dla kształtu sinusoidalnego napięcia.
Współczynnik ten jest uwzględniany przy wzorcowaniu woltomierza. Próba
pomiaru tym przyrządem wartości skutecznej napięcia o innym niż sinusoidalny
kształcie będzie więc obarczona błędem, niekiedy o znacznej wartości.
Prostowanie jednopołówkowe stosuje się w celu ograniczenia liczby
elementów nieliniowych i ułatwienia linearyzacji charakterystyki prądowonapięciowej układu prostownikowego. Wymóg liniowości tej charakterystyki
w przyrządach cyfrowych jest szczególnie ostry. Żąda się, aby była ona liniowa
począwszy od kilku miliwoltów napięcia prostowanego. Stosowane w przyrządach cyfrowych układy prostownikowe oparte są na wzmacniaczach
operacyjnych i nazywane prostownikami idealnymi albo diodami idealnymi.
Dioda idealna omówiona jest na końcu tej instrukcji w DODATKU 1 i powinna
zainteresować bardziej ambitnych studentów.
Ćwicz. M 14 Multimetr cyfrowy
4
Pomiar natężenia prądu
Pomiar natężenia prądu wymaga przetworzenia go na napięcie stałe lub
jednokierunkowe. Przetwornik jest w tym przypadku szczególnie prosty, składa
się bowiem tylko z kilku (trzech, czterech) rezystorów o dokładnie określonych
rezystancjach. Te same rezystory używane są na ogół do pomiaru prądu stałego
i zmiennego.
Pomiar natężenia prądu polega na zmierzeniu spadku napięcia
wywołanego przez ten prąd na wbudowanych do multimetru rezystorach
wzorcowych. Pomiaru napięcia dokonuje oczywiście woltomierz cyfrowy
napięcia stałego o całkowaniu podwójnym. W przypadku prądu zmiennego
sygnał napięcia jest prostowany w układzie prostownika jednopołówkowego.
Pomiar rezystancji
Cyfrowy pomiar rezystancji polega na przetworzeniu jej na napięcie stałe.
Potrzebny spadek napięcia wywoływany jest na mierzonej rezystancji przez
prąd pochodzący z wbudowanego do multimetru źródła prądowego.
Do pomiaru „małych” rezystancji stosowana jest metoda czteropunktowa pomiaru. Polega ona na zasileniu mierzonego rezystora z oddzielnego źródła prądowego (np. wbudowanego do multimetru) o znanym prądzie
znamionowym, np. 10 mA i pomiarze wywołanego tym prądem napięcia.
Zaciski wyjściowe tego źródła znajdują się na tylnej ściance przyrządu
(multimetr V560) lub są oddzielnie oznaczone na panelu czołowym.
Metoda, o której tu mowa, wymaga użycia czterech przewodów
łączących. Dwa z nich doprowadzają do rezystora prąd ze źródła prądowego,
dwa pozostałe doprowadzają zaś powstały spadek napięcia do zacisków
woltomierza (rys.3).
2. Przebieg pomiarów
Studenci wykonują wskazane niżej zadania, sporządzając na bieżąco
stosowne notatki. W przypadku użycia multimetru innego niż V560, należy
w sprawozdaniu dostosować odpowiednie opisy i wartości parametrów tego
przyrządu. Do wykonania poniższych zadań mogą być również używane
multimetry: BM202, UT71D, MTX3283, 23T, UT803 i UT804.
Zadanie 1
Przyłącz do zacisków wejściowych multimetru zasilacz stabilizowany.
Nastaw zerowe napięcie wyjściowe zasilacza. Nastaw zakres pomiarowy multimetru 10 V (tryb pracy DC).
Włącz zasilacz i multimetr. Następnie zwiększaj powoli napięcie
wyjściowe zasilacza do 12 V. Opisz zachowanie się multimetru po
przekroczeniu wartości 12 V napięcia mierzonego.
5
Ćwicz. M 14 Multimetr cyfrowy
W sprawozdaniu należy:
Wyjaśnić, w jaki sposób multimetr sygnalizuje przekroczenie jego zakresu
pomiarowego.
Zadanie 2
Włącz tryb AC pracy multimetru i nastaw odpowiedni zakres pomiarowy.
Zmierz trzykrotnie napięcia fazowe każdej fazy w sieci trójfazowej w układzie,
którego schemat przedstawiono na rysunku 2. Wyniki, wraz z błędami
granicznymi, zapisz w Tablicy 1.
L1
Multimetr
Napięcie
AC
L2
L3
N
Rys. 2. Schemat układu do pomiaru napięć fazowych
Nr
Tablica 1
1
UL1
V
UL2
V
UL3
V
2
3
Typ multimetru ………………………, błąd graniczny …………………………
W sprawozdaniu należy:
1. Wyjaśnić ewentualne różnice między wynikami poszczególnych pomiarów
w danej fazie.
2. Wyjaśnij ewentualne różnice między wartościami napięć poszczególnych
faz.
Zadanie 3
Narysuj samodzielnie schemat układu do pomiaru natężenia prądu żarówki IŻ o mocy 100 W i napięciu znamionowym 230 V przy użyciu multimetru
cyfrowego. Przedstaw go do akceptacji prowadzącemu ćwiczenie. Połącz
układ pomiarowy i wykonaj pomiar. Zanotuj ten wynik. Oblicz błąd graniczny
pomiaru wykorzystując kartę katalogową przyrządu. Zapisz prawidłowo wynik
pomiaru wraz z błędem granicznym.
Ćwicz. M 14 Multimetr cyfrowy
6
Typ multimetru ……………, błąd graniczny ……………………………………
IŻ = .......................................... mA
W sprawozdaniu należy:
Zaproponować metodę pomiaru natężenia prądu o natężeniu większym od
zakresu pomiarowego miliamperomierza cyfrowego.
Zadanie 4
Zmierz omomierzem multimetru cyfrowego rezystancje obwodów
napięciowych watomierza na zakresach: 100 V, 200 V, 400 V. Dobierz do
każdego przypadku odpowiedni zakres pomiarowy omomierza. Wyniki zanotuj
w Tablicy 2 wraz z wartościami błędów granicznych pomiaru.
Typ multimetru ……………, błąd graniczny (formuła)………………………….
Tablica 2
Zakres napięciowy UN
watomierza
Rezystancja RN obwodu
napięciowego watomierza
(wraz z błędem granicznym)
V
k
100
200
400
Zadanie 5
Zmierz metodą czteropunktową rezystancje obwodów prądowych watomierzy na dwóch zakresach: „1A” i „2A”. Schemat układu pomiarowego
przedstawiono na rysunku 3. Jeśli użyty multimetr nie posiada oddzielnego
źródła prądowego, to wykorzystaj zasilacz stabilizowany w trybie pracy
z ograniczeniem prądu tak, aby nie przekroczyć dopuszczalnego prądu obwodu
watomierza.
Spadek napięcia UP mierzy się woltomierzem multimetru cyfrowego
pracującym w trybie DC (na zakresie 20 mV lub 100 mV, dla prądu Ip=10 mA),
a następnie oblicza się rezystancję RP według wzoru:
Ćwicz. M 14 Multimetr cyfrowy
RP 
7
UP
IP
gdzie IP jest prądem znamionowym źródła prądowego. Wyniki pomiarów
zanotuj w Tablicy 3. Dla ustawionej wartości IP należy dobrać optymalny zakres
pomiarowy napięcia.
Przyjmując, że błąd graniczny wartości IP jest pomijalnie mały, oblicz
niepewność wyznaczenia wartości rezystancji w tej metodzie.
IP < Iogr
ZACISKI
WYJŚCIOWE
ŹRÓDŁA
PRĄDOWEGO
(ZASILACZA)
RP
UP
V560
ZACISKI
WEJŚCIOWE
WOLTOMIERZA
Rys. 3. Schemat układu do pomiaru rezystancji metodą czteropunktową.
Tablica 3
Obwód
prądowy
Napięcie UP
watomierza
mV
Prąd źródła IP
mA
Rezystancja RP obwodu
prądowego watomierza
(wraz z niepewnością)
m
„1A”
„2A”
Zadanie 6
Zmierz rezystancje dwóch (podanych przez prowadzącego) dekad
rezystora sześciodekadowego, stosując właściwe zakresy pomiarowe omomierza
multimetru. Dla każdego wyniku pomiaru oblicz błąd graniczny bezwzględny
i względny (odniesiony do wartości ustawionej na dekadzie). Dla rezystorów
mniejszych od 10  zastosuj metodę czteropunktową uwzględniając
dopuszczalny prąd dekady. Wyniki pomiarów i obliczeń zapisz w Tablicy 4.
8
Ćwicz. M 14 Multimetr cyfrowy
W sprawozdaniu należy:
Przedstawić na jednym wykresie wartości bezwzględnego i względnego błędu
granicznego w zależności od mierzonej wartości rezystancji dekady (zależnej od
liczby używanych rezystorów w dekadzie). Skomentować te wykresy
i sformułować odpowiedni wniosek.
Typ multimetru ………………………, błąd graniczny …………………………
Tablica 4
Dekada ……. /k
Liczba
rezystorów
w dekadzie
Wynik
pomiaru
/k
Błąd
Wartość
(wartość)
błędu
graniczny
granicznego
względny
/k
%
Dekada ……… /k
Błąd
Wartość
Wynik
(wartość)
błędu
pomiaru
graniczny
granicznego
względny
/k
/k
%
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Uwaga: Podczas pomiaru rezystancji w danej dekadzie należy nastawić zerowe
wskaźniki na wszystkich pozostałych dekadach.
3. Pytania i zadania kontrolne
1. Przedstaw zasadę pomiaru multimetrem skutecznej wartości napięcia
sinusoidalnego.
2. Przedstaw zasadę pomiaru multimetrem natężenia prądu stałego i skutecznej
wartości prądu sinusoidalnego.
3. Narysuj schemat obwodu
cyfrowego wielozakresowego.
wejściowego
woltomierza/amperomierza
4. Oblicz wartości rezystancji oporników w obwodzie wejściowym
amperomierza cyfrowego dla zakresów 10 A i 200 mA jeśli wiadomo, że
Ćwicz. M 14 Multimetr cyfrowy
9
zakres napięcia wejściowego przetwornika A/D tego przyrządu wynosi 0÷200
mV. Jaka powinna być moc dopuszczalna takiego opornika?
5. Przedstaw zasadę pomiaru rezystancji w multimetrze cyfrowym.
6. Wyjaśnij zasadę pomiaru rezystancji metodą czteropunktową.
3. Literatura
Badźmirowski K. i inni Cyfrowe systemy pomiarowe WNT, Warszawa 1979;
Bogdan T. Multimetry cyfrowe WKiŁ, Warszawa 1976;
Chwaleba A. i inni Metrologia elektryczna WNT, Warszawa 2007, 2012;
Piotrowski R. Ćwiczenia laboratoryjne z metrologii, Wyd. Politechniki
Białostockiej, Białystok 2008;
5. Sowiński A. Cyfrowa technika pomiarowa WKiŁ, Warszawa 1976;
6. Tumański S. Technika pomiarowa, WNT, Warszawa 2007.
1.
2.
3.
4.
10
Ćwicz. M 14 Multimetr cyfrowy
DODATEK 1
Dioda idealna
Stosowane w technice analogowej przetworniki diodowe nie nadają się do
celów miernictwa cyfrowego. Ze względu na silną nieliniowość charakterystyki prądowo – napięciowej dla małych napięć.
Dokładność pomiarów cyfrowych wymaga, aby charakterystyka ta była
ściśle liniowa już od napięć rzędu kilku miliwoltów. Dlatego w multimetrach
cyfrowych stosuje się tzw. prostowniki idealne (diody idealne) zbudowane
w oparciu o wzmacniacze operacyjne, w których wyeliminowana jest nieliniowość zwykłych diod prostownikowych. Schemat ideowy układu prostownika
idealnego przedstawiono na rysunku 1.
R2
i2
UR2
D1
i1
R1
iR = 0
Rf
D2
R1 i1
uR = 0
W
U1
u2
Uwy
Rys. 1. Schemat ideowy prostownika idealnego
Zasadę działania tego prostownika wyjaśnia się, zakładając idealne parametry wzmacniacza operacyjnego:
1. Nieskończenie duże wzmocnienie napięciowe ku
ku 
uR
 ,
u2
skąd wynika uR = 0, jeżeli założymy, że u2  0
2. Nieskończenie wielka rezystancję wejściową Rwe = , skąd wynika iR = 0.
Podczas półfali dodatniej sinusoidalnego napięcia U1 przewodzi dioda D1
i w pętli sprzężenia zwrotnego występuje tylko rezystancja Rf w kierunku
przewodzenia tej diody, stąd:
Ćwicz. M 14 Multimetr cyfrowy
u2  
Rf
R1
u1 ,
11
(1)
zaś Uwy = 0 z powodu zablokowania diody D2 przez ujemne napięcie u2.
Uwaga: Związek (1) nie jest oczywisty dla początkującego słuchacza i wymaga
uprzedniego zapoznania się z podstawową analizą pracy wzmacniacza
operacyjnego.
W półfali ujemnej napięcia U1, dioda D1 jest zablokowana i pętlę
sprzężenia zwrotnego tworzą: rezystor R2 i dioda D2, która jest teraz
spolaryzowana w kierunku przewodzenia przez dodatnie napięcie U2.
Z właściwości wzmacniacza idealnego mamy:
UR = 0,
(stąd VA = VB)
(2)
i1 = i2
(bo iR = 0)
(3)
i1 = U1 /R1 (bo VA = VB)
(3)
Z powyższego wynika, że prąd i1, a także prąd i2 nie zależą od nieliniowej
rezystancji diody D2 (prąd i1 jest określony tylko przez U1 i R1). Jednocześnie,
ponieważ i2 = i1, możemy napisać:
U wy   U R2  R2 i2   R2 i1
U wy   R2
U1
R
  2 U1
R1
R1
(5)
(6)
Zależność (6) wyraża liniowy związek między napięciami Uwy i U1 i nie
zawiera nieliniowych rezystancji diod D1 i D2, a więc także nie zależy od
temperaturowych zmian tych rezystancji.
Ćwicz. M 14 Multimetr cyfrowy
12
Wymagania BHP
Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest
zapoznanie się z instrukcją BHP i instrukcją przeciw pożarową oraz
przestrzeganie zasad w nich zawartych. Wybrane urządzenia dostępne na
stanowisku laboratoryjnym mogą posiadać instrukcje stanowiskowe. Przed
rozpoczęciem pracy należy zapoznać się z instrukcjami stanowiskowymi
wskazanymi przez prowadzącego.
W trakcie zajęć laboratoryjnych należy przestrzegać następujących zasad.










Sprawdzić, czy urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym są
w stanie kompletnym, nie wskazującym na fizyczne uszkodzenie.
Sprawdzić prawidłowość połączeń urządzeń.
Załączenie napięcia do układu pomiarowego może się odbywać po
wyrażeniu zgody przez prowadzącego.
Przyrządy pomiarowe należy ustawić w sposób zapewniający stałą
obserwację, bez konieczności nachylania się nad innymi elementami
układu znajdującymi się pod napięciem.
Zabronione jest dokonywanie jakichkolwiek przełączeń oraz wymiana
elementów składowych stanowiska pod napięciem.
Zmiana konfiguracji stanowiska i połączeń w badanym układzie może się
odbywać wyłącznie w porozumieniu z prowadzącym zajęcia.
W przypadku zaniku napięcia zasilającego należy niezwłocznie wyłączyć
wszystkie urządzenia.
Stwierdzone wszelkie braki w wyposażeniu stanowiska oraz
nieprawidłowości w funkcjonowaniu sprzętu należy przekazywać
prowadzącemu zajęcia.
Zabrania się samodzielnego włączania, manipulowania i korzystania
z urządzeń nie należących do danego ćwiczenia.
W przypadku wystąpienia porażenia prądem elektrycznym należy
niezwłocznie wyłączyć zasilanie stanowisk laboratoryjnych za pomocą
wyłącznika bezpieczeństwa, dostępnego na każdej tablicy rozdzielczej
w laboratorium. Przed odłączeniem napięcia nie dotykać porażonego.
Download