Mérés és adatgyűjtés

Átírás

1 Mérés és adatgyűjtés 3. óra - levelező Mingesz Róbert Szegedi Tudományegyetem március 23. MA lev - 3. óra Verzió: 2.0 Utolsó frissítés: március 18. 1/84

2 Tartalom I 1 Házi feladatok 2 Digitális multiméterek 3 BNC csatlakozó 4 Oszcilloszkópok 5 Műszerek kalibrálása 6 Műszerek védelme 7 Szenzorok 8 Hőmérséklet mérése 9 Fény érzékelése 10 Mágneses tér érzékelése 11 További szenzorok MA lev - 3. óra 2/84

3 Házi feladatok Gyakorló feladatok megoldásokkal: nem kell beküldeni 1. feladatsor beadási határideje: április 2. 23:00 Követelmények a megoldással kapcsolatban: Legyen olvasható Részletes levezetés, indoklásokkal A végeredmény legyen kiemelve Mértékegységek használata Beadás módja: Papíron Elektronikusan cím: mingesz@inf.u-szeged.hu Levél tárgya: MA - Házi feladat 1 Formátum: 1 db pdf fájl Honlap címe: MA lev - 3. óra Házi feladatok 3/84

4 Digitális multiméterek Különböző, elektromos mennyiségek mérése egy eszközzel MA lev - 3. óra Digitális multiméterek 4/84

5 Minta kapcsolási rajz MA lev - 3. óra Digitális multiméterek 5/84

6 Feszültségosztó-lánc Be 9M 900k 90k 200V 20V 2V 200mV A bemenő impedancia méréshatártól függetlenül közel állandó Tipikusan 10 MΩ(olcsóbb műszereknél 1 MΩ) 10k V ±200mV MA lev - 3. óra Digitális multiméterek 6/84

7 Gazdaságos multiméterek Ár: 1000Ft 3,5 digit DC voltage: 200m/2/20/200V±0.5%, 600V±0.8 AC voltage: 200/600V±1.2% DC current: 200µ/2m/20mA±1.0%, 200mA±1.5%, 10A±3.0% 10 A-es méréshatár 10 s-ig használható Resistance: 200/2k/20k/200kΩ±0.8%, 2MΩ±1.0% Diode check: Test current 0.8mA, Test voltage 3V hfe: Nem megbízhatók MA lev - 3. óra Digitális multiméterek 7/84

8 Kézi multiméterek Ár: Ft Ft MA lev - 3. óra Digitális multiméterek 8/84

9 Multiméterek tulajdonságai Minőség (aranyozott csatlakozók, tárcsa, elem kijelzése, megbízhatóság...) Digitek száma (felbontás, pl. 3,5; 4,5...) Pontosság, reprodukálhatóság Függ a méréshatártól, pl. 0,5% ± 2 dg Belső ellenállás Feszültség mérése: R M = 10MΩ (független a méréshatártól) Áramerősség mérése: U M < 0,3V (függ a méréshatártól) MA lev - 3. óra Digitális multiméterek 9/84

10 További szolgáltatások Automatikus kikapcsolás Sípolós üzemmód (rövidzárak keresése) Automatikus méréshatár-váltás Max / Min / Memória Relatív mérés True RMS, AC frekvenciatartomány Alacsony feszültségek/áramok/ellenállások mérése Magas ellenállások mérése Frekvencia mérése Kapacitás mérése Tranzisztor vizsgálata Hőmérséklet mérése 4-20 ma-es jeladók fogadása Logikai jelek vizsgálata Háttérvilágítás PC kapcsolat MA lev - 3. óra Digitális multiméterek 10/84

11 3,5 Digit 3,5 digit kijelzett érték: (3,75 digit kijelzett érték: ) Pontosság számolása: Pl.: Méréstartomány: 200 kω Felbontás: 0,1 kω Pontosság: +1,2% + 3d Mért érték: 85,3 kω Maximális hiba: 85,3kΩ 0, ,1kΩ 3 MA lev - 3. óra Digitális multiméterek 11/84

12 Metex M3800 Ár: Ft; 3,5 digit DC voltage: 200m/2/20/200V/1000V±0.5%+1d AC voltage: 200m/2/20/200V/750V±0.8%+3d DC current: 200µ/2m/20mA/200mA/20A±1.2%+1d 10 A-es méréshatár 15 s-ig használható AC current: 200µ/2m/20mA/200mA/20A±1.8%+3d Resistance: 200/2k/20k/200kΩ/2M/20MΩ±1.0%+2d Diode check, hfe, Szakadásvizsgálat Bemeneti impedancia: 10MΩ MA lev - 3. óra Digitális multiméterek 12/84

13 UNI-T UT60H Ár: Ft 4,75 digit DC voltage: 4/40/400V/1000V±0.1%+5d AC voltage: 4/40/400V/750V±1%+3d DC current / AC current: 400µ/4m/40mA/400mA/10A±0.8%+10d 10 A-es méréshatár 15 s-ig használható Resistance, Capacitance, Frequency, Temperature, 4-20 ma loop Diode check, hfe, Continuity test Bemeneti impedancia: 10MΩ AC frekvenciatartomány: 45Hz 1kHz MA lev - 3. óra Digitális multiméterek 13/84

14 Asztali multiméterek Ár: Ft Ft Nagyobb pontosság, felbontás, reprodukálhatóság Széleskörű PC kapcsolat Négypontos mérések Csatlakozók hátsó kivezetése MA lev - 3. óra Digitális multiméterek 14/84

15 Agilent 34410A 6,5 Digit felbontás (1 000 minta/s) 5,5 Digit felbontás ( minta/s) LAN, USB, GPIP kapcsolat 50 k adatlogger DC feszültségmérés: 0,003% pontosság 10 MΩvagy 10 GΩbemenő impedancia AC feszültségmérés: 0,06% pontosság 300 khz sávszélesség Ellenállásmérés: 2 pontos/4 pontos 100 Ω... 1 MΩ: 0,01% pontosság 1 GΩ: 8% pontosság... MA lev - 3. óra Digitális multiméterek 15/84

16 Speciális multiméterek Szigetelési ellenállás mérése Nagy feszültség rákapcsolása a mért áramkörre (akár kv) miliω/ mikroωmérők Induktivitás- / kapacitásmérők (RCL meter) Source-meter Nagyobb áram/feszültség rákötése a mért eszközre Kalibráló eszközök MA lev - 3. óra Digitális multiméterek 16/84

17 BNC csatlakozó Váltakozó jelek átvitele Analóg jelek Digitális jelek Maximális frekvencia: 3 GHz Maximális feszültség: 500 V Bajonettzár Jelvezeték + árnyékolás Az árnyékolás általában földelve van Impedancia: 50 Ω (esetleg 75 Ω) MA lev - 3. óra BNC csatlakozó 17/84

18 Vezeték hullámimpedanciája Vezeték hullámimpedanciája Z 0 = R + iωl G + iωc MA lev - 3. óra BNC csatlakozó 18/84

19 Vezeték hullámimpedanciája Nem megfelelő illesztés visszaverődés U be Kiküszöbölés: lezáró ellenállások 50 Ω 50 Ω U ki MA lev - 3. óra BNC csatlakozó 19/84

20 Oszcilloszkópok Cél: váltakozó jelek mérése MA lev - 3. óra Oszcilloszkópok 20/84

21 Analóg oszcilloszkópok felépítése MA lev - 3. óra Oszcilloszkópok 21/84

22 A katódsugárcső MA lev - 3. óra Oszcilloszkópok 22/84

23 Oszcilloszkóp bemenete Bemenet impedanciája: 1 MΩ: nagy impedancia 50 Ω: gyors jelek mérése MA lev - 3. óra Oszcilloszkópok 23/84

24 AC / DC / GND MA lev - 3. óra Oszcilloszkópok 24/84

25 Vízszintes eltérítés MA lev - 3. óra Oszcilloszkópok 25/84

26 Triggerelés MA lev - 3. óra Oszcilloszkópok 26/84

27 Digitális oszcilloszkópok felépítése MA lev - 3. óra Oszcilloszkópok 27/84

28 Digitális oszcilloszkóp MA lev - 3. óra Oszcilloszkópok 28/84

29 USB oszcilloszkóp MA lev - 3. óra Oszcilloszkópok 29/84

30 PC szoftver MA lev - 3. óra Oszcilloszkópok 30/84

31 PC szoftver MA lev - 3. óra Oszcilloszkópok 31/84

32 Logikai jelanalizátor Logikai jelek elemzése Sok csatorna (8-128) Választható logikai szintek Protokoll értelmezése MA lev - 3. óra Oszcilloszkópok 32/84

33 Kevert jelű oszcilloszkópok (Mixed Signal) MA lev - 3. óra Oszcilloszkópok 33/84

34 Oszcilloszkópok tulajdonságai / szolgáltatásai Bemenő csatornák 1, 2, 4; digitális bemenetek Trigger bemenet 1 MΩ, 50 Ω Analóg sávszélesség (50 MHz...) Függőleges érzékenység, felbontás Mintavételi frekvencia Valós idejű: (100 MHz...) Több csatorna esetén megoszlik-e? Ekvivalens periodikus, periódikus jelek esetén (1 GHz...) Glitch-ek érzékelése Vízszintes eltérítési sebesség Memória (rekordhossz) Trigger Internal (CH1 / CH2 /...), External, Line Auto, Normal, TV, Impulse Pretrigger: már a trigger előtt mér az oszcilloszkóp Triggerelés logikai állapotokra MA lev - 3. óra Oszcilloszkópok 34/84

35 Oszcilloszkópok tulajdonságai / szolgáltatásai Kijelző (monokróm, színes) Kurzorok Automatikus beállítás Kapcsolat a külvilággal PC kapcsolat (USB,...) Monitor csatlakozás Egér, billentyűzet Pen-drive Nyomtató Eszközök vezérlése Automatikus mérések Spektrum Amplitúdó, RMS, frekvencia, felfutási idő... Hibás jelelakok felismerése Perzisztens kijelzés (Digital phosphor) Ár (40 eft MFt) MA lev - 3. óra Oszcilloszkópok 35/84

36 Mérőfejek Bemenő impedancia növelése Bemenő feszültség osztása Erősítés Aktív/passzív mérőfej MA lev - 3. óra Oszcilloszkópok 36/84

37 Mérőfejek MA lev - 3. óra Oszcilloszkópok 37/84

38 Tektronix MSO 2024 Ár: 1 MFt Sávszélesség: 200 MHz, Mintavételi ráta: 1 GS/s Rekord hossz: 1 Millió pont, 5000 wfm/s Analóg csatornák: 4, Digitális csatornák: 16 USB Host/Device, Ethernet option, Video out option Serial triggering / decode option (I2C, SPI, CAN, LIN, RS-232/485/UART) 29 automated measurements, FFT, Search, mark, zoom, analyse MA lev - 3. óra Oszcilloszkópok 38/84

39 PicoScope Választék MA lev - 3. óra Oszcilloszkópok 39/84

44 Műszerek kalibrálása Cél: megbízható mérési eredmények A mérési eredmények visszavezethetősége: Egységdefiníció Nemzetközi etalon Nemzeti etalon Referencia etalonok (akkreditált kutatólaboratóriumok) Használt etalonok (felhasználói kalibrálások) Mérőműszer Önkalibrálás: belső, stabil etalon MA lev - 3. óra Műszerek kalibrálása 44/84

45 Hitelesítés / Kalibrálás Hitelesítés Hatósági tevékenység, jogi szabályozás A mérőeszközöket az OMH hitelesíti A jogszabályok által meghatározott eszközöket kell hitelesíteni, a mérőeszköztípusra engedély kell Sikeres hitelesítés hitelesítést tanusító jel / bizonyítvány. A hitelesítési bizonyítvány hatósági dokumentum, meghatározott ideig érvényes A hitelesítést a jogszabályban meghatározott időközönként meg kell ismételni Kalibrálás Nem hatósági tevékenység Bárki kalibrálhat Bármilyen eszközt lehet kalibrálni szükség esetén Kalibrálás kalibrálási bizonyítvány A bizonyítvány nem hatósági dokumentum, nincs feltétlenül érvénytartalma A kalibrálás megujításáról a tulajdonos dönt. MA lev - 3. óra Műszerek kalibrálása 45/84

46 Kalibrálás Direkt kalibrálás Indirekt kalibrálás MA lev - 3. óra Műszerek kalibrálása 46/84

47 Műszerek védelme 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) Zavarvédelem Tápfeszültség szűrése Árnyékolás Földelés (csillagpontos) Túlfeszültségvédelem Villámvédelem ESD védelem (statikus feltöltődés ellen) MA lev - 3. óra Műszerek védelme 47/84

48 IP védelem Műszer védelme a külső behatásokkal szemben 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 MA lev - 3. óra Műszerek védelme 48/84

49 IP védelem Második számjegy: Víz behatolása elleni védettség 0: nincs védettség 1: Függőlegesen csöpögő víz elleni védettség 2: Csöpögő víz elleni védelem max. 15 fokos szögig 3: Csöpögő víz elleni védelem max. 60 fokos szögig 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 Ha bejut a víz az eszközbe, az nem akadályozhatja annak működését. Példa: IP67: A készülékbe nem juthat por A készülék meghatározott ideig 1 méter mélységig vízálló MA lev - 3. óra Műszerek védelme 49/84

50 Digitális mérőműszer Külső jelek Szenzorok A/D Fizikai mennyiségek Elektromos jelek Digitális jelek Digitális feldolgozás Beavatkozás Aktuátorok D/A MA lev - 3. óra Szenzorok 50/84

51 A szenzorok működése Zavarjelek Bemenet Szenzor Kimenet Fizikai mennyiség Segédenergia (Elektromos jelek) Energia-átalakítás történik Energiafajták: Sugárzási energia, mechanikai energia, hőenergia, villamos energia, mágneses energia, kémiai energia MA lev - 3. óra Szenzorok 51/84

52 Szenzorok jellemzése Bemeneti fizikai mennyiség pl. hőmérséklet, elmozdulás, mágneses térerősség... Kimenő fizikai mennyiség (általában elektromos mennyiség) pl. feszültség, áramerősség, ellenállás... Aktív (termóelem, ph-mérő, fényelem) Passzív - működéséhez segédenergiára van szükség (termisztor, fotóellenállás, Hall-szonda) Karakterisztika: a kimenet függése a bemeneti mennyiségtől lineáris / nem lineáris Működési elv Kialakítás MA lev - 3. óra Szenzorok 52/84

53 Szenzorok tulajdonságai Mérési tartomány Zajhatár: ennél kissebb jelek változása már elvész a zajban Túlterhelési tartomány Felbontóképesség Nullpont-hiba Érzékenység hiba Hiszterézis Linearitás-hiba / alakhiba Drift (kúszás) Hőmérsékletfüggés Környezeti hatások (rezgések, nyomás, nedvesség...) Beállási idő Frekvenciakarakterisztika MA lev - 3. óra Szenzorok 53/84

54 Hőmérséklet mérése A legtöbb folyamat, fizikai, kémiai... tulajdonság hőmérsékletfüggő pl. sűrűség, ellenállás, reakciósebesség... Az egyik leggyakrabban mért paraméter Mérés elve: a hőmérsékletváltozás hatására változás áll be a szenzorban vezetőképesség megváltozása thermoelektromos effektusok hőtágulás hallmazállapot-változás kémiai reakció (egyensúly eltolódás) Biztosítani kell a megfelelő hőátadást hőátadás - közvetlen érintkezés hővezetés - valamilyen közeg viszi át a hőenergiát hősugárzás - elektromágneses sugárzás útján MA lev - 3. óra Hőmérséklet mérése 54/84

55 Bimetál kapcsoló Két állapot Hiszterézis MA lev - 3. óra Hőmérséklet mérése 55/84

56 Ellenállás hőmérők (RTD) Fémek ellenállása hőmérsékletfüggő Leggyakrabban alkalmazott fém: platina PT100 szenzorok: 0 C: 100 Ω Mérési tartomány: -260 C C MA lev - 3. óra Hőmérséklet mérése 56/84

57 Ellenállás hőmérők (RTD) Nagy pontosság Alacsony drift Széles mérési tartomány A termisztorokhoz képest lassaúbb reagálási idő (néhány másodperc) Típikus méret > 3 mm Ár > 2000 Ft MA lev - 3. óra Hőmérséklet mérése 57/84

58 Ellenállás hőmérők mérése Feladat: nagy pontossággal és felbontással mérni az ellenállás változást MA lev - 3. óra Hőmérséklet mérése 58/84

59 Ellenállás hőmérők mérése MA lev - 3. óra Hőmérséklet mérése 59/84

60 Félvezető hőmérsékletmérő szenzorok: Termisztor (NTC) Hőmérséklet növekedése töltéshordozók számának növekedése ellenállás csökkenése Általános képlet: R(T) = R ref e A+ B T + C T 2 + D T 3 Gyakran használt formula: B 25/85 = B 25/85 B 25/85 T T R(T) = R 25 e 25 T(R) = 1 1 T B 25/85 ln R R 25 MA lev - 3. óra Hőmérséklet mérése 60/84

61 Termisztor Mérési tartomány -90 C C Átmérő > 1,5 mm Ár > 100 Ft MA lev - 3. óra Hőmérséklet mérése 61/84

62 Termoelem Seebeck-effektus: Termoelem (Réz-Konstantán vezetékek) MA lev - 3. óra Hőmérséklet mérése 62/84

63 Termoelem - hidegpont Hidegpont kompenzálás MA lev - 3. óra Hőmérséklet mérése 63/84

64 Termoelem Kis impedancia, kis feszültség: nagy erősítés szükséges Jó közelítéssel lineáris Átmérő > 1.5 mm Ár > 2000 Ft Mérési tartomány K típusú termoelem esetén: -200 C C MA lev - 3. óra Hőmérséklet mérése 64/84

65 IC hőmérsékletszenzorok LM35 Lineáris kimenet + 2 C C LM35 Digitális kimenet (I2C) - 40 C C MA lev - 3. óra Hőmérséklet mérése 65/84

66 Pirométerek Hőmérséklet hősugárzás (általában infravörös) A sugárzás spektruma hőmérsékletfüggő a hőmérséklet meghatározható Kontaktus nélküli mérés Mérési tartomány: -32 C Celsius MA lev - 3. óra Hőmérséklet mérése 66/84

67 Fény érzékelése Fény hőmérsékletváltozás elektronok gerjesztése elektronok kilépése MA lev - 3. óra Fény érzékelése 67/84

68 Bolométer Hőhatás mérése (infravörös fény detektálása) MA lev - 3. óra Fény érzékelése 68/84

69 Fotóellenállás (light dependent resistor) Félvezető Fény elektronok kerülnek át a vezetési sávba Hátrányok: lassú Előnyök: egyszerű alkalmazhatóság, ohmikus Spektrális érzékenység: típustól függ MA lev - 3. óra Fény érzékelése 69/84

70 Fotodióda Előnyök: gyors az áram arányos a fényintenzitással olcsó Érzékenység: szükség szerint optikai szűrővel módosítható MA lev - 3. óra Fény érzékelése 70/84

71 Fotodióda MA lev - 3. óra Fény érzékelése 71/84

72 Fotodióda MA lev - 3. óra Fény érzékelése 72/84

73 Fotótranzisztor Tranzisztor vezérlése: fény (a bázisáram helyett) Nagyobb érzékenység/áram MA lev - 3. óra Fény érzékelése 73/84

74 CCD MA lev - 3. óra Fény érzékelése 74/84

75 Hőkamera MA lev - 3. óra Fény érzékelése 75/84

76 Ionizáló sugárzások érzékelése Működési elv: Elektronok gerjesztése (vezetés, fényhatás) Ionizáció Geiger-Müller számláló Szcintillátor MA lev - 3. óra Fény érzékelése 76/84

77 Mágneses terek érzékelése Váltakozó mágneses terek mágneses indukció Állandó mágneses terek Hall-effektus,... MA lev - 3. óra Mágneses tér érzékelése 77/84