wersja beta

UKŁADY ELEKTRONICZNE I TECHNIKA POMIAROWA

Moduł 11 - Pomiary wielkości elektrycznych

Nawet najprostszy multimetr oferuje możliwość pomiaru: napięcia stałego i zmiennego, prądu stałego i zmiennego, rezystancji, częstotliwości, a często również pojemności i okresu. Takie sformułowanie funkcji pomiarowych stanowią pewne uproszczenie. Zauważmy, że ustawienie przełącznika wyboru funkcji na pozycję DC oznacza w praktyce pomiar wartości średniej napięcia w określonym czasie, a pozycja AC oznacza pomiar wartości skutecznej napięcia przemiennego. Inna sprawa na ile jest to pomiar prawidłowy i dokładny.

Funkcjonalność multimetru przejawia się w automatyzacji obsługi i rejestracji wyników (automatyczna zmiana zakresów pomiarowych, zapamiętywanie wyników w pamięci multimetru z możliwością transferu do komputera), dostępności wykonywania operacji arytmetycznych (skalowanie wyników, obliczenia statystyczne), identyfikacji właściwości obwodów elektrycznych (testy ciągłości połączeń i przewodzenia złącz półprzewodnikowych).

Struktura multimetru nie różni się znacząco od podstawowej struktury toru pomiarowego i obejmuje blok kondycjonowania sygnałów (przetwarzania analogowego), przetwarzanie analogowo-cyfrowe, układy wyjściowe sterujące pracą wyświetlaczy i interfejsów komunikacyjnych. Multimetr musi być wyposażony w przełącznik funkcji w postaci pokrętła na płycie czołowej (multimetry przenośne) lub przycisków (multimetry laboratoryjne). Charakterystycznym elementem praktycznie każdego współczesnego przyrządu pomiarowego jest układ sterujący (mikroprocesor). Zastosowanie mikroprocesorów w wewnętrznej strukturze multimetru umożliwiło przeprowadzanie obliczeń na wynikach pomiarów, automatyzację obsługi, pracę systemową itp. Spektakularnym efektem wykorzystania mikroprocesorów jest poprawa właściwości metrologicznych przyrządu. Odbywa to się na etapie kalibracji torów pomiarowych i polega na wprowadzeniu współczynników korygujących numerycznie wyniki pomiarów zgodnie z aktualnymi charakterystykami przetworników wejściowych. Taka automatyczna kalibracja zapobiega konieczności demontażu przyrządu i ręcznego dostrajania układów elektronicznych.

Ze względu na to, że przetwornik a/c przetwarza napięcie stałe (ściśle wartość średnią napięcia w czasie integracji), każda wielkość mierzona musi zostać poddana kondycjonowaniu, tj. takiemu przetwarzaniu wstępnemu, by przetwornik analogowo-cyfrowy otrzymał na wejściu odpowiedni rodzaj i poziom sygnału (np. napięcie stałe z zakresu od 0 do10V). Wszystkie mierzone wielkości i funkcje pomiarowe są sprowadzone w efekcie do pomiaru napięcia stałego.

Na rysunku symbolicznie zaznaczono dzielnik/wzmacniacz sygnału, przetwarzani R,I -> U oraz konwersję AC -> DC.

Na rysunku pokazano klasyczny układ dzielnika i wzmacniacza wejściowego stosowany w multimetrach przy pomiarze napięcia stałego. Układ wzmacniacza powinien zapewniać poziom napięcia na wejściu przetwornika a/c odpowiadający w przybliżeniu pełnemu zakresowi przetwarzania.

Wartości rezystancji dzielnika są tak dobrane, że rezystancja wejściowa multimetru wynosi 10MW (na zakresach napięciowych > 1V). Na mniejszych zakresach sygnał wejściowy jest podawany bezpośrednio na wejście wzmacniacza i rezystancja wejściowa jest większa od 10GW. Przy tak dużych rezystancjach wejściowych multimetr praktycznie nie wpływa na stan badanego obwodu. Niestety w prostych multimetrach przenośnych rezystancja wejściowa nie jest tak duża i multimetr pobiera pewien prąd z obwodu kontrolowanego.

Istotnym elementem wpływającym na właściwości metrologiczne multimetru jest przetwornik napięcia zmiennego na napięcie stałe. Przy pomiarach sygnałów przemiennych wynik pomiaru zawsze reprezentuje wartość skuteczną sygnału. W multimetrach starszego typu lub w bardzo prostych przyrządach były stosowane przetworniki wartości średniej (wyprostowanej !) sygnału wejściowego, a wartość skuteczna była wyznaczana przez przeskalowanie sygnału o wartość współczynnika kształtu (stosunek wartości skutecznej do średniej) (1).

Przy pomiarach przebiegów różnych od sinusoidy taka technika wprowadza błąd, który w przypadku przebiegu prostokątnego wynosi 11% (dla tego przebiegu wartość średnia wyprostowana jest równa wartości skutecznej). W tabeli zamieszczono przykłady kilku przebiegów i efekt pomiaru wartości skutecznej różnymi multimetrami. W najdokładniejszych przetwornikach wartości skutecznej są wykorzystywane zjawiska cieplne prądu elektrycznego, przy czym należy nadmienić, że otrzymanie dużej dokładności przetwarzania wiąże się ze znaczną komplikacją układu przetwornika. Multimetry z takimi przetwornikami są produkowane w niewielkich ilościach i są bardzo kosztowne. Ogniwem pośrednim pomiędzy dokładnymi przetwornikami termoelektrycznymi a przetwornikami wartości średniej są monolityczne układy wzmacniaczy operacyjnych realizujące definicyjne wyznaczanie wartości skutecznej drogą operacji matematycznych na przetwarzanym sygnale analogowym. Stałonapięciowy sygnał wyjściowy takich przetworników jest proporcjonalny do wartości skutecznej sygnału wejściowego w dość dużym przedziale odkształceń od sinusoidy, charakteryzowanym zwykle za pomocą współczynnika szczytu (ang. crest factor), tj. odniesienia wartości szczytowej do wartości skutecznej. Większość współczesnych multimetrów jest wyposażona w operacyjne przetworniki wartości skutecznej i wynik pomiaru reprezentuje prawdziwą wartość skuteczną badanego sygnału. Taka właściwość multimetrów jest oznaczana na płycie czołowej przyrządu (lub wyraźnie zaznaczana w dokumentacji) jako TrueRMS. Określenie TrueRMS nie ma związku z rodzajem sprzężenia na wejściu, tzn. eliminacją składowej stałej. Większość współczesnych multimetrów laboratoryjnych mierzy prawidłowo wartość skuteczną tylko składowej przemiennej sygnału wejściowego. Wyznaczenie wartości skutecznej przebiegu zmiennego ze składową stałą wymaga, przy stosowaniu takiego multimetru, wykonania niezależnie dwóch pomiarów i obliczenia wyniku z zależności (2) Powyższe uwagi są bardzo ważne ze względu na niestety pojawiającą się w literaturze (i Internecie) błędną interpretacje określeń RMS i TrueRMS. Określenie RMS dotyczy sygnału – to jest po prostu definicyjne wyrażenie wartości skutecznej – Root Mean Square, natomiast określenie TrueRMS dotyczy właściwości przyrządu pomiarowego.

W multimetrach laboratoryjnych zarówno prąd jak i rezystancją są mierzone metodą techniczną (zgodnie z prawem Ohma). Typowy układ wejściowy multimetru przy pomiarze prądu pokazano na rysunku. Precyzyjne oporniki wzorcowe (boczniki) wyznaczają zakresy pomiarowe amperomierza.

Podobnie jak przy pomiarze napięcia istotnym problemem bywa zbyt mała rezystancja Rv wejścia napięciowego, tak przy pomiarze prądu problemem może okazać się zbyt duża rezystancja Ra wejścia prądowego multimetru. Dość często producenci multimetrów zamiast rezystancji Ra podają w zestawieniu parametrów charakterystycznych wartość spadku napięcia na zaciskach multimetru przy przepływie prądu nominalnego. Rezystancja Ra występuje tu w postaci niejawnej.

W multimetrach ogólnego zastosowania pomiar rezystancji może być realizowany metodą przetwarzania na czas. Układ pomiarowy składa się wówczas z obwodu RC, a mierzona jest stała czasowa ładowania kondensatora. Napięcie na kondensatorze jest opisane zależnością (1), gdzie stała czasowa t = RC; zatem dla t = t obowiązuje zależność (2).

Pomiar stałej czasowej (ściśle czasu po którym napięcie na kondensatorze osiągnie wartość równą 0.632 amplitudy Uo skoku napięcia na wejściu układu) jest realizowany metodą zliczania impulsów z generatora wzorcowego. Czas ten jest równy N*tw , gdzie tw jest okresem przebiegu na wyjściu generatora impulsów wzorcowych. W układzie przedstawionym na rysunku można wyznaczyć również pojemność C przy znanej rezystancji R. Przy pomiarach pojemności multimetr realizuje pomiary zakładając bezstratność kondensatora. Takie założenie może prowadzić do istotnych błędów pomiaru szczególnie w prostych multimetrach, w których pojemność jest wyznaczana metodą techniczną tzn. przez pomiar spadku napięcia przy przepływie prądu zmiennego o określonej częstotliwości (zazwyczaj 1 kHz).

Multimetry laboratoryjne umożliwiają pomiar rezystancji 2- lub 4-przewodowo. W pomiarach 4-przewodowych stosuje się oddzielne pary przewodów doprowadzających prąd do badanego obiektu i odprowadzających powstający na nim spadek napięcia. Dzięki tej technice eliminowane są błędy pomiaru powodowane spadkami napięć na przewodach łączących i stykach. Podobne efekty można uzyskać przy pomiarze 2-przewodowym wykorzystując funkcję Null multimetru. Należy wówczas wykonać pomiar rezystancji przy zwartych przewodach łączących, a zmierzona wartość rezystancji zostanie zapisana w pamięci multimetru i będzie odejmowana od wszystkich kolejnych pomiarów. Na płycie czołowej multimetru (wyposażonego w funkcję 4-przewodowego pomiaru rezystancji) są dwie pary zacisków. Zaciski prądowe są oznaczone jako Source, a zaciski napięciowe jako Sense. Przy pomiarach 2-przewodowych badany opornik należy podłączyć do zacisków Source.

Pomiary względne umożliwiają wyznaczenie stosunku dwóch wielkości. Zazwyczaj wynik pomiaru jest podawany w decybelach (dB lub dBm). Decybele mogą być są stosowane do określania poziomu mocy zarówno akustycznej jak i elektrycznej. Jeżeli moc wydziela się na dwóch identycznych opornikach to decybele określają poziomy napięć. Cechą charakterystyczną miary decybelowej w przyrządach pomiarowych jest występowanie określonej wielkości odniesienia – wówczas pojawia się jednostka dBm, co oznacza, że wielkością odniesienia jest moc 1mW wydzielona na wybranej przez użytkownika rezystancji (standardowo 600).

W analizatorach widma wykorzystuje się jednostkę dBV (decybelowolt).

Pomiarów impedancji i jej składowych można dokonać jedną z kilku metod. Stosowane są rozwiązania wykorzystujące: klasyczną teorię mostków pomiarowych (mostek Maxwella, mostek Wiena - w tym mostki o równoważeniu automatycznym), metodę techniczną (pomiar spadku napięcia na badanym elemencie i pomiar natężenia prądu przepływającego przez ten element), metody rezonansowe (metody wykorzystujące zjawisko rezonansu w obwodach RLC, przyrządy realizujące te metody, to tzw. Q-metry), metody analizy sygnału odbitego (przyrządy - reflektometry). Zastosowanie jednej z wymienionych metod jest uzależnione od pożądanej dokładności i zakresu pomiaru, a także częstotliwości przy której element będzie pracował. Niejednokrotnie o wyborze decyduje możliwość zestawienia układu pomiarowego. W instrukcji opisano metody mostkowe i odmianę metody technicznej - metodę trzech woltomierzy.

Laboratoryjne motki Wheatstone’a są układami o czterech ramionach R1 , R2 , R3 i R4 i o dwóch przekątnych: zasilania AB i wskaźnika zera CD.

Mostki laboratoryjne umożliwiają wyznaczenie wartości rezystancji jednego z ramion, gdy wartości pozostałych trzech ramion mostka są znane. W stanie równowagi mostka, gdy Ig = 0, obowiązuje równanie (1) Stan równowagi uzyskuje się nastawiając odpowiednią wartość opornika wielodekadowego R2 przy wybranej wartości oporników stosunkowych R3 i R4. Wartości stosunku R3/R4 dobiera się tak, aby, do zrównoważenia mostka, wykorzystać możliwie wszystkie dekady zestawu R2 [10 ´ (10000;1000;100;10;1;0.1). Jako wskaźnik zera – wskaźnik równowagi stosuje się galwanometr magnetoelektryczny o dużej czułości lub czuły wskaźnik elektroniczny. Do zasilania mostka stosuje się źródła o napięciu od 2V do kilkudziesięciu woltów. Większe napięcia stosuje się przy pomiarze większych wartości Rx (100kW do kilku MW). Pomiary rezystancji mostkiem Wheatstone’a są obarczone błędami wynikającymi z niedokładności oporników R2 , R3 i R4 oraz niewystarczającej czułości mostka.

Mostki Thomsona są przeznaczone do pomiaru rezystancji w granicach 10-6W do 10W.

W mostku oporniki R3 i R’3 są zestawami jednakowych oporników zwykle 4-dekadowych mechanicznie sprzężonych (umieszczonych na wspólnych osiach przełączników) tak, że zawsze R3 = R’3 , również oporniki R4 = R’4 nastawia się na jednakowe wartości np. 10W, 100W, 1000W. W mostku zrównoważonym tzn. gdy Ig=0 oraz gdy spełniony jest warunek (1) obowiązuje równanie (2).

Impedancja jest podstawową wielkością charakteryzującą właściwości obwodów i elementów elektronicznych i elektrycznych. Prawo Ohma, stanowiące podstawowa zależność w elektrotechnice, opisuje związek pomiędzy napięciem, prądem i rezystancją przy prądzie stałym (R = U / I). Analogiczna zależność obowiązuje przy prądzie zmiennym, z tym, że wielkości występujące we wzorze są liczbami zespolonymi. Wielkością odwrotną do impedancji jest admitancja (Y = I / U). Interpretacje geometryczną na płaszczyźnie zespolonej obu wielkości przedstawiono na rys. 1. Impedancja i admitancja jako wielkości zespolone mogą być opisane we współrzędnych biegunowych przez amplitudę i fazę oraz we współrzędnych prostokątnych przez sumę składowych rzeczywistych i urojonych.

W technice pomiarowej prądu zmiennego metoda mostkowa służy przede wszystkim do wyznaczania parametrów cewek i kondensatorów. Stosowana jest zwłaszcza wtedy, gdy błąd określenia poszukiwanego parametru powinien być mniejszy od 0,1%. Bardzo duże zróżnicowanie postaci układów mostkowych oraz znaczna liczba odmiennych rozwiązań konstrukcyjnych przeznaczonych dla różnych warunków pracy sprawiają, że szczegółowe informacje o mostkach znajdują się w dość bogatej literaturze przedmiotu.