Cechowanie multimetru cyfrowego

Laboratorium Podstaw Miernictwa
Wiaczesław Szamow
Ćwiczenie M1
CECHOWANIE MULTIMETRA CYFROWEGO
opr. tech. Mirosław Maś
Uniwersytet Przyrodniczo - Humanistyczny
Siedlce 2011
1
1. Wstęp
W ćwiczeniu cechujemy multimetr cyfrowy za pomocą woltomierza i
miliamperomierza analogowego wysokiej klasy. Przy cechowaniu odczytów pojemności
elektrycznej stosuje się jako wzorzec kondensator dekadowy. Poznajemy tu między innymi
zasadę działania i obsługę tych mierników oraz określamy ich wpływ na wyniki pomiarów.
Odpowiedni program komputerowy pozwala wyniki pomiarów automatycznie rejestrować w
pamięci komputera w formie arkusza Excel. W skład zestawu laboratoryjnego wchodzą:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
woltomierz METRA
miliamperomierz PE-2
multimetr cyfrowy UT 803
zasilacz M10-SP-503E
zasilacz laboratoryjny ZL-2A
kondensator dekadowy DK 50
opornik 1k
kabel RS 232C
5 przewodów zwykłych i 1 podwójny
komputer PC z programem UT 803 Interface
Zasilacz laboratoryjny ZL-2A służy do zasilania żarówki wskaźnika miliamperomierza
PE-2 . Multimetr cyfrowy jest już połączony z komputerem kablem RS 232C.
UWAGA: Nie zmieniaj pozycji przełącznika obrotowego na multimetrze gdy multimetr
jest pod napięciem
Przed rozpoczęciem ćwiczenia sprawdź czy zestaw laboratoryjny jest kompletny. Do
ćwiczenia należy opanować następujące zagadnienia teoretyczne:
•
•
•
•
•
•
•
klasa i legenda mierników analogowych
pole magnetyczne i siła magnetyczna działająca na przewodnik z prądem
budowa mierników magnetoelektrycznych i elektromagnetycznych
budowa i działanie multimetra cyfrowego
dokładność mierników cyfrowych
prawo Ohma i oporność elektryczna
pojemność elektryczna
2
2. Mierniki magnetoelektryczne
Już od ponad wieku do pomiarów wielkości elektrycznych stosuje się mierniki
elektromechaniczne. Ich najważniejszymi zaletami są: prosta konstrukcja, niewielki koszt,
niezawodność i nienajgorsza dokładność. Podstawowe wady to: wrażliwość na wstrząsy
mechaniczne, wpływ na wielkość mierzoną i brak sygnału wyjściowego, co uniemożliwia
automatyzację pomiarów. Dlatego ostatnio mierniki elektromechaniczne zastępuje się
elektronicznymi miernikami cyfrowymi, zwłaszcza, że ich koszt jest coraz mniejszy a
dokładność pomiarów coraz lepsza. Z uwagi na sposób działania elektromechaniczne
mierniki dzieli się na:
„Ikonki” obok są graficznymi symbolami poszczególnych typów mierników. Są to mierniki
analogowe, bo wskazują one w sposób ciągły wielkość mierzoną. Z reguły takie mierniki
posiadają wskazówkę i skalę. Przy tym skala może mieć jedną lub więcej podziałek. Różne
podziałki ułatwiają odczyt na różnych zakresach pomiarowych. Na skali, oprócz symbolu
miernika, umieszcza się tzw. legendę np.:
Oznacza to, że miernik mierzy prądy stałe, jego ustrój jest magnetoelektryczny, pracuje w
pozycji poziomej a jego klasa wynosi 0,5. Na skali często podaje się oporność wewnętrzną
miernika dla poszczególnych zakresów pomiarowych. Klasa miernika jest związana z jego
błędem pomiarowym i zgodnie z normą oznacza się ją liczbami: 0.1, 0.2, 0.5, 1, 1.5, 2.5.
Klasa miernika wskazówkowego jest to błąd względny wyrażony w %, który miernik
popełnia przy pełnym wychyleniu wskazówki. Znajomość klasy miernika jest niezbędna przy
szacowaniu błędów pomiarowych.
W miernikach magnetoelektrycznych wykorzystuje się zjawisko oddziaływania pola
magnetycznego i przewodnika z prądem. Siła magnetyczna w najprostszym przypadku
wyraża się wzorem
3
Fm = I l B
gdzie: I – natężenie prądu
l – długość przewodnika
B – indukcja pola magnetycznego
Jak widać siła magnetyczna jest proporcjonalna do natężenia prądu. Pole magnetyczne w
miernikach magnetoelektrycznych wytwarza się za pomocą magnesu trwałego o
odpowiedniej geometrii – przykładowo jak na Rys. 1
Rys. 1
W cylindrycznej wnęce magnesu umieszcza się cewkę nawiniętą na cylinder aluminiowy,
który może się obracać. Do cylindra jest przytwierdzona wskazówka i dwie sprężynki
oporowe hamujące obrót. Kąt α wychylenia wskazówki jest proporcjonalny do natężenia
prądu płynącego przez cewkę
α=cI
gdzie współczynnik c zależy od konstrukcji mechanizmu magnetoelektrycznego. Ten
mechanizm nazywa się inaczej ustrojem. Sam ustrój magnetoelektryczny w zasadzie jest
mikroamperomierzem. Aby mierzyć większe prądy do ustroju dodaje się opory bocznikujące.
Rys. 2 ilustruje możliwy schemat trójzakresowego amperomierza.
Rys. 2
4
Przełącznikiem P zmieniamy zakresy wybierając opór bocznikujący R1, R2 lub R3.
Odpowiednio wykonany opór Rd kompensuje wpływ temperatury i dodatkowo ogranicza
prąd płynący przez ustrój.
Aby mierzyć napięcia, opory włącza się szeregowo z ustrojem jak na Rys. 3
Rys. 3
W ćwiczeniu stosuje się trójzakresowy woltomierz magnetoelektryczny METRA, w którym
zakresy zmienia się wybierając odpowiedni zacisk 30V, 75V lub 150V. Mierniki
magnetoelektryczne z zasady mierzą stałe w czasie prądy i napięcia. Dodając do ustroju
diodę lub prostownik można mierzyć wartość średnią przebiegów zmiennych. Niestety, z
uwagi na oporność wewnętrzną, mierniki elektromechaniczne mogą zniekształcać wielkość
mierzoną.
3. Mierniki elektromagnetyczne
W miernikach elektromagnetycznych wykorzystuje się oddziaływanie pola
magnetycznego z ferromagnetykami. Na większość substancji pole magnetyczne działa
bardzo słabo. Jednak istnieją ciała (np. żelazo), które silnie oddziaływują z polem
magnetycznym – nazywamy je ferromagnetykami. Ferromagnetyki składają się z
namagnesowanych mikroobszarów zwanych domenami. Kierunek namagnesowania różnych
domen jest zazwyczaj przypadkowy. Zewnętrzne pole magnetyczne porządkuje orientację
momentów magnetycznych domen. W wyniku tego ferromagnetyk silnie się magnetyzuje i
jest wciągany w kierunku silniejszego pola magnetycznego. Zasadę działania ustroju
elektromagnetycznego ilustruje Rys. 4.
Rys. 4
5
Mierzony prąd przepływa przez uzwojenie nieruchomego elektromagnesu i wytwarza
wewnątrz niego pole magnetyczne. Wciąga ono rdzeń ferromagnetyczny z przytwierdzoną
wskazówką w kierunku środka elektromagnesu. Wskutek tego rdzeń się obraca, a kąt
wychylenia wskazówki zależy od wartości skutecznej mierzonego prądu. Mierniki
elektromagnetyczne mogą mierzyć zarówno stałe jak i zmienne prądy elektryczne. Jednak
częstotliwość prądu zmiennego nie może być zbyt duża z uwagi na czas potrzebny na
przemagnesowanie rdzenia ferromagnetycznego. W niektórych miernikach wskazówkę
mechaniczną zastępuje się wskaźnikiem świetlnym. Wykorzystuje się tu obrotowe lusterko,
na które pada światło żarówki wmontowanej w miernik
Przykładem takiego miernika jest miliamperomierz PE-2. Posiada on dwa zakresy
pomiarowe 7,5mA i 15mA, które wybiera się poprzez układ trzech zwór.
4. Multimetr cyfrowy
Multimetry są miernikami, które mogą mierzyć różne wielkości w tym przynajmniej:
napięcie i natężenie prądów stałych i zmiennych, oporność, pojemność, częstotliwość. Sporo
multimetrów ponadto mierzy temperaturę, współczynnik wzmocnienia prądowego
tranzystorów, sprawdza diody i ciągłość obwodów. Z uwagi na dokładność rozróżniamy
multimetry serwisowe i laboratoryjne.
Współczesne multimetry są przyrządami cyfrowymi, które mierzoną wielkość analogową
zamieniają na sygnał cyfrowy, a następnie przetwarzają go w odpowiedni sposób.
Uproszczony schemat blokowy multimetra pokazuje Rys. 5
6
Rys. 5
Kondycjoner sygnału wejściowego zawiera szereg przetworników, które przekształcają na
napięcie elektryczne różne wielkości np. natężenie prądu, oporność, pojemność itp. –
niektóre z nich pokazano na drugim schemacie blokowym Rys. 5. Schematy te i obszerne
omówienie multimetrów cyfrowych można znaleźć np. w [2].
Cechowany tu multimetr UT 803 jest multimetrem laboratoryjnym, który może
współpracować z komputerem PC poprzez łącze RS 232C lub USB. Jego płytę czołową
pokazuje fotografia
Włącznik sieciowy znajduje z tyłu przyrządu. Przyciski z przedniej płyty czołowej są
następujące:
LIGHT
RANGE
MAXMIN
RS232
HOLD
SELECT
- podświetlenie wyświetlacza
- ręczna zmiana zakresów
- pomiar maksymalnej i minimalnej wielkości
- uruchamia połączenie z komputerem
- stabilizuje wynik pomiaru
- wybiera funkcje przełącznika obrotowego
Przełącznikiem obrotowym wybiera się poszczególne wielkości pomiarowe (patrz uwagę na
str. 3). Gniazdko COM jest wspólne dla wszystkich wielkości pomiarowych.
7
Po uruchomieniu programu komputerowego UT803 Interface ukazuje się okno
w którym można automatycznie lub ręcznie (za pomocą myszy i przycisku COM Connect)
zapisać wyniki pomiarów. Jednocześnie program tworzy ich wykres. Wyniki rejestruje się w
pamięci komputera w formie arkusza Excel, stosując przycisk SAVE.
Dokładność multimetrów cyfrowych zależy głównie od jakości układu
kondycjonowania i rozdzielczości przetwornika A/C. Podaje się ją w instrukcji obsługi i
może być ona różna dla różnych wielkości pomiarowych i zakresów. Dokładność multimetra
UT 803, dla interesujących nas wielkości i zakresów, zawiera Tab. 1.
wielkość
zakres
dokładność
napięcie
60V
(0,3%+2)
natężenie
60mA
(0,5%+3)
oporność
6kΩ
(0,5%+2)
pojemność
6μF
(2%+5)
Tab. 1
5. Wpływ mierników na wyniki pomiarów
Przyrządy pomiarowe zniekształcają w większym lub mniejszym stopniu mierzone
wielkości fizyczne. Wpływ przyrządu pomiarowego na wynik pomiaru zależy od własności
samego miernika i od własności obiektu, którego parametry wyznaczamy. Skrajnym
przykładem jest pomiar temperatury kropli wody i wody w dużym zbiorniku za pomocą
zwykłego termometru. W przypadku kropli pomiar jest wręcz niemożliwy, bo rozmiary i
pojemność cieplna kropli są za małe wobec rozmiarów i pojemności cieplnej termometru.
Wielkości elektryczne są również zakłócane przez mierniki. Można to zauważyć np.
wyznaczając opór – zgodnie z prawem Ohma
8
U
R
(1)
I
gdzie: U - napięcie na oporze
I – natężenie prądu płynącego przez opór
Napięcie i natężenie prądu możemy zmierzyć włączając woltomierz i miliamperomierz na
dwa sposoby jak na Rys. 6a i b
Rys. 6
Po zmianie położenia mierników zmieniają się napięcia i prądy w obwodzie, a obliczone
zgodnie z (1) oporności się różnią. Przyczyną tego są oporność wewnętrzna RV
woltomierza i oporność wewnętrzna RmA miliamperomierza. Dla układu z Rys. 6a
zmierzony prąd I jest istotnie prądem płynącym przez opór R, natomiast zmierzone
napięcie U jest sumą napięć na oporze R i miliamperomierzu, stąd
R
U
R mA
I
(1a)
W układzie z Rys. 6b woltomierz mierzy bezpośrednio napięcie na oporze R, a
miliamperomierz mierzy sumę prądów płynących przez opór R i woltomierz, stąd
U
R
I
U
(1b)
RV
Jak widać, aby nie zniekształcać wyników pomiarów, idealny miliamperomierz powinien
posiadać zerową oporność wewnętrzną (RmA = 0), a idealny woltomierz nieskończenie
wielką (RV = ∞). Dobre woltomierze mają oporność wewnętrzną nie mniejszą niż 10MΩ.
Jednak i one zakłócają wynik pomiaru, gdy opór badanego elementu jest podobnego rzędu.
9
6. Przebieg pomiarów
Rozpoznaj poszczególne symbole występujące w legendzie woltomierza METRA i
miliamperomierza PE-2, upewnij się czy te mierniki są prawidłowo wyzerowane. Z uwagi
na dużą wrażliwość nie należy ich przesuwać ani tym bardziej obracać.
UWAGA: Zasilanie obwodów pomiarowych mogą włączać tylko osoby prowadzące zajęcia
a. włącz multimetr cyfrowy i komputer. Uruchom program UT 803 Interface i zapoznaj się
z funkcjami okna tego programu. W tym celu włącz przycisk RS232 w multimetrze a
następnie za pomocą przycisku COM Connect i myszy naucz się zapisywać wyniki
pomiarów.
b. zmierz multimetrem oporności: pary białych przewodów, woltomierza na zakresach 30V
i 75V, miliamperomierza na zakresie 15mA i opornika 1k.
c. połącz równolegle zasilacz, woltomierz i multimetr
Przełącznik obrotowy multimetra ustaw w pozycji V. Zmieniając napięcie na
woltomierzu co 2V w przedziale 14 ÷ 48V zarejestruj wskazania multimetra. Aby
zmienić zakres, wystarczy przewody z zacisku 30V przenieść do zacisku 75V. Przy
ustawianiu napięcia wskazówka woltomierza powinna pokrywać się ze swoim odbiciem
na lusterku skali.
d.
połącz szeregowo zasilacz, opornik 1k, miliamperomierz i multimetr
Przełącznik obrotowy multimetra ustaw w pozycji mA. Zmieniając natężenie prądu na
miliamperomierzu co 1mA w przedziale 7 ÷ 15mA zarejestruj wskazania multimetra.
e. zmierz pojemność jaką wskazuje sam multimetr, dołącz parę białych przewodów i
zaobserwuj jak się zmieniają wskazania multimetra. Podłącz multimetr do kondensatora
dekadowego i zmieniając skokowo jego pojemność co 0,1 μF w przedziale 0,1 ÷1,1μF
zarejestruj wskazania multimetra.
f. Połącz układ jak na Rys. 6a, ustaw na woltomierzu napięcie 10V i zmierz natężenie
prądu. Następnie, nie zmieniając napięcia zasilacza, podłącz woltomierz do opornika 1k
10
jak na Rys. 6b i zmierz napięcie i natężenie prądu. Wyniki zanotuj w arkuszu Excel.
7. Opracowanie wyników
1. oblicz procentowe błędy względne woltomierza, miliamperomierza i multimetra
popełnione przy mierzeniu napięcia i prądu. Oblicz błędy multimetra przy pomiarach
pojemności. Obliczenia umieść w arkuszu Excel za wynikami odpowiednich pomiarów.
Przykładowo, dla napięcia 16V zapis może mieć postać jak niżej
No
Time
DC/AC
7 12:02:56
DC
Value
15.91
Unit
błąd
błąd
woltomierza multimetra
[%]
[%]
AUTO
0,375
0,5625
AUTO
V
Sprawdź czy dokładność multimetra jest zgodna z danymi w Tab. 1. Oceń wiarygodność
cechowania multimetra osobno woltomierzem METRA, miliamperomierzem PE-2 i
przy użyciu kondensatora dekadowego DK 50.
2. oblicz opór korzystając ze wzoru (1) dla układów pomiarowych z Rys 6a i b. Wyjaśnij,
dlaczego wyniki obliczeń się różnią. Następnie oblicz opór stosując wzory (1a) i (1b).
3. oszacuj błędy metodą różniczki zupełnej popełnione przy obliczaniu oporu ze wzorów
(1a) i (1b). Wpierw wyprowadź odpowiednie wzory na szacowanie błędów i przekształć
te wzory do najprostszej postaci. Wyniki obliczeń z punktu 2 i 3 przedstaw w tabeli
układ
opór bez
poprawki
[Ω]
opór z
błąd
błąd
poprawką oszacowany faktyczny
[Ω]
[Ω]
[Ω]
a
b
Porównaj wyniki i wyciągnij wnioski
4. czy oporność przewodów w tych pomiarach istotnie wpływa na wyniki? Dlaczego przy
mierzeniu pojemności pary przewodów wskazania multimetra były niestabilne?
Odpowiedź uzasadnij.
Literatura
[1] S. Tumański, Technika pomiarowa, PWN, Warszawa 2000
[2] http://www.eti.pg.gda.pl/katedry/kose/dydaktyka/Metrologia/cw4.pdf
[3] Instrukcja obsługi multimetra UT 803
[4] Wprowadzenie do laboratorium Podstaw Miernictwa
11