Mérés és adatgyűjtés

Átírás

1 Mérés és adatgyűjtés 5. óra Mingesz Róbert Szegedi Tudományegyetem március 10. MA - 5. óra Verzió: 2.1 Utolsó frissítés: március 12. 1/47

2 Tartalom I 1 Elektromos mennyiségek mérése 2 A/D konverterek alkalmazása MA - 5. óra 2/47

3 Feszültség mérése Párhuzamosan kötjük az áramkörbe (az áramkört nem kell megszakítani) Ideális feszültségmérő nem vezet, R = Reális feszültségmérő: véges belső ellenállás (R M ) R 2 U R 1 V U 1 R M V U 1 MA - 5. óra Elektromos mennyiségek mérése 3/47

4 Műszer belső ellenállása U R b R M V U M R b : feszültségforrás belső ellenállása (impedanciája) R M : műszer belső/bemenő ellenállása (impedanciája) MA - 5. óra Elektromos mennyiségek mérése 4/47

5 Műszer belső ellenállásának hatása U R b R M V U M Pl.: R b = 100kΩ, R M = 1MΩ, U = 10V U M = I R M = Relatív hiba: h = 9,09% U R b + R M R M = 10V 1MΩ = 9,09V 100kΩ + 1MΩ MA - 5. óra Elektromos mennyiségek mérése 5/47

6 Műszer belső ellenállása V CC R M = R 2 + R 1 R 3 R 1 + R 3 R 3 R 1 U null = V CC R 1 + R 3 R 2 R 1 V U M Bemenő impedancia megadási formái: Bemenő ellenállás (NI USB-6008: 144 kω ) Szivárgó áram U = R B I In MA - 5. óra Elektromos mennyiségek mérése 6/47

7 A váltakozó jel paraméterei Egyszerű középérték (I k, Mean value): átvitt töltésmennyiség I k = 1 T T 0 I(t) dt Alkalmazás: kondenzátor töltése, elektrolízis Effektív középérték (I eff, RMS): hőhatás Annak az egyenáramnak az erőssége, amely T periódusidő alatt ugyanazon az R ellenállású fogyasztón ugyanakkora munkát végez. I eff = 1 T T 0 I(t) 2 dt MA - 5. óra Elektromos mennyiségek mérése 7/47

8 A váltakozó jel paraméterei Csúcsérték (I P, Peak value) Szinuszos jel esetén az amplitúdóval egyezik meg Zaj esetén tipikusan 3σ Csúcstól csúcsig amplitúdó (I P P, Peak to peak value) Abszolút középérték (Average value) I a = 1 T T 0 I(t) dt MA - 5. óra Elektromos mennyiségek mérése 8/47

9 A váltakozó jel paraméterei U U Egyenirányított U Eff U Abszolút közép T U Közép t MA - 5. óra Elektromos mennyiségek mérése 9/47

10 Korrekciós tényezők MA - 5. óra Elektromos mennyiségek mérése 10/47

11 Egyenirányítás A dióda nyitófeszültsége: 0,6V MA - 5. óra Elektromos mennyiségek mérése 11/47

12 Aktív egyenirányítás Ha v in < 0 v out = v in, v a = v out + 0,6V, D 2 vezet Ha v in > 0 v out = 0, v a = 0,6V, D 1 vezet Megjegyzés: a kimenet csak korlátozottan terhelhető MA - 5. óra Elektromos mennyiségek mérése 12/47

13 Aktív kétutas egyenirányítás Ha V in > 0 V < 0, D 1 vezet, D 2 nem, V 1 = 0 V O = (R/R 1 )V in Ha V in < 0 V > 0, D 2 vezet, D 1 nem, V 2 = V 1 = V V in + V R 1 R + V 2R = 0 V = 2 R V in 3 R 1 V O = IR + V = V 2R R + v = 2 2 V = R R 1 V in MA - 5. óra Elektromos mennyiségek mérése 13/47

14 Csúcsérték detektor U be 1 D 2 U ki Reset C MA - 5. óra Elektromos mennyiségek mérése 14/47

15 RMS (U eff ) Termikus konverterek Analóg szorzók Digitalizált jelek feldolgozása Integrált áramkörök (pl: AD8361) MA - 5. óra Elektromos mennyiségek mérése 15/47

16 Áramerősség mérése Sorosan kötjük az áramkörbe (az áramkört meg kell megszakítani) Ideális áramerősség-mérő jól vezet, R = 0, U M = 0 Reális áramerősség-mérő: véges belső ellenállás (R M ) feszültség esik az áramerősségmérőn U A I R R M A MA - 5. óra Elektromos mennyiségek mérése 16/47

17 Áramerősség-feszültség konverzió I I R R V U U ki Áramerősség-feszültség konverzió I = U/R További lehetőségek: mágneses tér érzékelése, hőhatás MA - 5. óra Elektromos mennyiségek mérése 17/47

18 A váltakozó áram teljesítménye A pillanatnyi teljesítmény: P(t) = U(t) I(t) MA - 5. óra Elektromos mennyiségek mérése 18/47

19 A váltakozó áram teljesítménye A fogyasztó által felvett teljesítmény folyamatosan változik Hatásos teljesítmény (átlagos teljesítmény): P = U eff I eff cosϕ cosϕ: teljesítménytényező (ideális esetben = 1) Meddő teljesítmény: a fogyasztó és az erőmű között ingázik. (Szállítása veszteséget termel) P m = U eff I eff sinϕ MA - 5. óra Elektromos mennyiségek mérése 19/47

20 Teljesítmény mérése MA - 5. óra Elektromos mennyiségek mérése 20/47

21 Frekvencia mérése Analóg frekvenciamérő (frekvencia-feszültség konverzió) bemenet jelkondicionálás rögzített idejű impulzusok átlagolás Számláláson alapuló frekvenciamérő bemenet jelkondicionálás impulzusok időegység alatt érkező impulzusok megszámlálása MA - 5. óra Elektromos mennyiségek mérése 21/47

22 Fázisszög mérése Fáziskülönbség időkülönbség mérése Fáziskülönbség kitöltési tényező U t MA - 5. óra Elektromos mennyiségek mérése 22/47

23 Ellenállás mérése U A I U R 1 R x V U R x V U R x = U I R x U x = U R x + R 1 U x R x = R 1 U U x MA - 5. óra Elektromos mennyiségek mérése 23/47

24 Ellenállás mérése áramgenerátorral Előny: a mért feszültség egyenesen arányos az ellenállással A vezetékek ellenállása hibát okoz U ref R ref R x U ki R x = R ref Uki U ref MA - 5. óra Elektromos mennyiségek mérése 24/47

25 Wheatstone-híd R 1 A R 3 D V G B R 2 C R x Egyensúlyban: V G = 0 R x = R 3 R 2 R 1 Általában: ( R x V G = R ) 2 R 3 + R x R 1 + R 2 MA - 5. óra Elektromos mennyiségek mérése 25/47

26 Négypontos ellenállásmérés Cél: vezetékek ellenállásának kiküszöbölése További alkalmazás: fajlagos ellenállás mérése MA - 5. óra Elektromos mennyiségek mérése 26/47

27 Hatpontos ellenállásmérés Ha az ellenállás egy áramkörben van: a többi ellenállás hatásának kiküszöbölése MA - 5. óra Elektromos mennyiségek mérése 27/47

28 Impedanciamérés Lineáris passzív hálózat: ellenállások, kondenzátorok, induktivitások Gerjesztés: váltakozó feszültség (általában szinuszos) Az impedancia általában frekvenciafüggő Im X ~ Z Z ~ θ R Re MA - 5. óra Elektromos mennyiségek mérése 28/47

29 A/D bemenet meghajtása Bemenet impedanciájának növelése Előerősítés Mintavételi szűrés Csatorna kiválasztása (multiplexelés) Feszültség átskálázása A/D bemenet meghajtása MA - 5. óra A/D konverterek alkalmazása 29/47

30 Jel átskálázása Bemenő jel: ±1V, AD mérési tartomány: 0 2,5V Szükséges erősítés: 2,5V/2V R 1 /R 2 = 1/1,25 Pl.: R 1 = 100kΩ, R 2 = 125kΩ U X : (1V U X ) R 1 = (U X 0V) R 2 U X = 0,444V MA - 5. óra A/D konverterek alkalmazása 30/47

31 Jel átskálázása MA - 5. óra A/D konverterek alkalmazása 31/47

32 Műszer erősítő Differenciális, nagy impedanciás bemenet ( V out = 1 + 2R ) 1 R3 (V 2 V 1 ) R gain R 2 MA - 5. óra A/D konverterek alkalmazása 32/47

33 Túlfeszültség védelem MA - 5. óra A/D konverterek alkalmazása 33/47

34 D/A kimenet bufferelése MA - 5. óra A/D konverterek alkalmazása 34/47

35 Analóg Kapcsolók Jellemző paraméterek Zárt (vezető) állapotban az ellenállás Nyitott állapotban az ellenállás, áthallás Működési feszültség MA - 5. óra A/D konverterek alkalmazása 35/47

36 Analóg Multiplexer Több csatorna mérése egy A/D konverterrel Minden váltás után várakozni kell, míg a többi fokozat beáll a kívánt értékre MA - 5. óra A/D konverterek alkalmazása 36/47

37 Mintavételi szűrő MA - 5. óra A/D konverterek alkalmazása 37/47

38 RC szűrő MA - 5. óra A/D konverterek alkalmazása 38/47

39 RC szűrő f c = 1 2πRC 1 f c = 2πR 2 C MA - 5. óra A/D konverterek alkalmazása 39/47

40 Példák mintavételi szűrőkre MA - 5. óra A/D konverterek alkalmazása 40/47

41 Árnyékolás Zavarjelek beszűrődése: Kapacitív Ohmikus Induktív MA - 5. óra A/D konverterek alkalmazása 41/47

42 Árnyékolás Mágneses árnyékolás Földelt árnyékolás Védő árnyékolás Sodrott érpár MA - 5. óra A/D konverterek alkalmazása 42/47

43 Árnyékolás MA - 5. óra A/D konverterek alkalmazása 43/47

44 Digitális interfész Párhuzamos Soros (I2C, SPI, UART...) TTL CMOS (Tápfeszültségfüggő) LVDS (Differenciális) MA - 5. óra A/D konverterek alkalmazása 44/47

45 Logikai jelek galvanikus leválasztása MA - 5. óra A/D konverterek alkalmazása 45/47

46 Logikai jelek galvanikus leválasztása MA - 5. óra A/D konverterek alkalmazása 46/47

47 Logikai jelek galvanikus leválasztása MA - 5. óra A/D konverterek alkalmazása 47/47