B

Name:………………………………………………………………………… Course code:………………………. Date and time of the measurement: …………………………………

ÓBUDAI UNIVERSITY Kandó Kálmán Faculty of Electrical Engineering

Institute of Instrumentation and Automation

MEASUREMENT LABORATORY

MEASUREMENT GUIDE 2/B Budapest, 2014

The development and compilation of the measurements, participated in Markella Zsolt Tényi V. Gusztáv

All rights reserved.

Table of Contents

16. laboratory measurements Trasducers I (strain gauge) 7. laboratory measurements Measuring with DSO II. 18. laboratory measurements Trasducers II (temperature)

3.

page

7.

page

13. page

When carried out the measurements documentation you must be take special care for the reproducibility!

2

Trasducers I strain gauge 1. The aim of the measurement: Egyes nem-villamos fizikai jellemzők (erő, nyomaték, nyomás, mechanikai feszültség) mérésére alkalmas nyúlásmérő bélyeg fontosabb statikus méréstechnikai jellemzőinek megállapítása. Egy adott feladatra való alkalmazás megismerése. A mérést “zavaró” jellemzők közül a hőmérsékletváltozás hatásának, mértékének megállapítása, vizsgálata. 2. Theory needed for the measurement: A nyúlásmérő bélyegek fém-, vagy félvezető alapanyagú, rendkívül vékony ellenálláshuzalok, melyek szigetelőanyagba beágyazva kerülnek forgalomba. A szigetelő fóliát speciális ragasztóanyaggal rögzítik arra a felületre, melynek a méretváltozását kívánják megállapítani. A mechanikai deformáció hatására a bélyeg ellenállása nő, vagy csökken aszerint, hogy a felület nyúlik-e, vagy zsugorodik. A bélyeg relatív ellenállás változása arányos a relatív hosszváltozással: dR dl , ahol g R l l a mérőbélyeg aktív hossza, és g (gauge faktor) a bélyeg átalakítási tényezője (relatív érzékenysége). Fémalapú átalakítónál g pozitív, értéke 1,6-2,7 között van. A félvezetőalapú mérőbélyegek átalakítási tényezője 200-300, és ez a félvezető típusától függően lehet pozitív és negatív is. Nagy hőmérsékletfüggésük miatt felhasználhatóságuk korlátozott, illetve speciális hőmérsékletkompenzáló kapcsolást igényelnek, amelyek célszerűen integrált áramköri technológiával valósíthatók meg. A mérőbélyegek kialakítását, felépítését, elhelyezését a laboratóriumban tablón szemléltetjük. A mérőhidak kapcsolásai a következők lehetnek:  negyedhíd,  félhíd,  kettős negyed, vagy átlós híd,  teljes híd. A mérés során vizsgálatunk a negyed- és félhídra szorítkozik. A kiegyenlítetlen hidakat elterjedten alkalmazzák az alábbi előnyeik miatt:  aktív villamos jelet szolgáltatnak  kicsi a zavarérzékenységük  linearizálnak  adott esetben következtethetünk a bemeneti jel változásának irányára A kapcsolások alapvető méréstechnikai jellemzőinek meghatározását kell elvégezni, úgymint  a mérési tartomány,

3

 az érzékenység (Ét),  a pontosság (linearitási hiba, hiszterézis hiba),  a referenciatartomány ill. zavarérzékenység (hőmérséklet) megállapítását. A fentiek többségének megállapításához a mérőátalakító statikus karakterisztikáját kell felvenni. A tenzometrikus átalakítókkal végzett mérések pontosságát befolyásolja a mérőelem hőmérsékletének változása, ezért a vizsgálat kiterjed e területre is. A hőmérsékletváltozás hatására megváltozik a rugólap mérete és a rugólapra ragasztott mérőbélyeg ellenállása is. Az együttes változás következtében az átalakító teljes relatív ellenállásváltozása: dR/R = (g  am + aR)  (T2 – T1), ahol am (1/oK), a mérőtest (rugólap) hőmérsékleti együtthatója, aR (1/oK ) a bélyeg ellenállásának hőmérsékleti együtthatója és T2 – T1 a hőmérsékletkülönbség. Acélanyagoknál am = 11  10-5 (1/oK) és aR = 3 10-5 (1/oK) (konstantán mérőbélyegeknél). Az érzékelő elemeket tartalmazó modell kivitele csak a mérési elv bemutatására alkalmas, azzal a nyúlásmérő bélyegek által biztosított mérési pontosság nem valósítható meg. 3. Measurement tasks: A mérésben egy befogott rugólap átellenes oldalára ragasztott mérőbélyegekkel állapíthatjuk meg a lapban keletkező mechanikai feszültség értékét. A rugólap hajlítását csavarorsóval hozzuk létre. A hajlítás mértékét - az elmozdulást (Δf) 1/100 mm-es mérőórával mérjük. A csavarorsó tengelyében ható F erő L (43 mm) hosszúságú karon végzi a hajlítást, a rugólap keresztmetszeti méretei: h (1,2 mm) * b (10 mm.). A mérés feltételei, határadatai: A rugólap maradandó deformációjának elkerülése és a hiszterézishiba csökkentése miatt a maximális elmozdulás 3 mm legyen. A mérés végén a rugólapot előfeszítettlen állapotba állítsa vissza! 3.1. Recording and evaluating the displacement (bending) - resistance change characteristics The panel 6. connectors at the top join to the pulled stamp and at the bottom to the pressed stamp. Measure the resistance of each stamp between the spring not loaded and maximum loaded positions in steps of 0.5 mm. Use table for the results and draw diagram on mm paper! (Shift the scale by the stamp resistance without load.) Calculate the linearity and hysteresis error of the stamps! Calculation of the linearity error:

4

1 ábra hlin . 

H max * 100% X kMT

3.2. Examination of strain gauge quarter bridge The power voltage of the bridge, based on the information given to the stamp, must be 6V.

figure 2 Measure the output voltage of the bridge between the spring not loaded and maximum loaded positions in steps of 0.5 mm. Measure the bridge in case of pressed and pulled stamps! In case of one stamp pick up the information during reduction ("backwards")!The value of the R resistance in the bridge: 360 Ω ±1%. Use table for the results and draw diagram of Uout depending on displacement! (Shift the scale by the output voltage of the bgridge without load.) Determine the conversion factor of the circuit! 3.3.

Examination of strain gauge half bridge

5

figure 3 Measure the output voltage of the bridge between the spring not loaded and maximum loaded positions in steps of 0.5 mm. Use table for the results and draw diagram of Uout depending on displacement! (Use the previous diagramm.) Determine the conversion factor of the circuit! 3.4 Examination of the effect of temperature Aim of the measurements: Determine the extent of the change in output due to the change in temperature. Set the load of the spring to the maximum 3 mm. Measure the resistance of the pressed and pulled stamps. The panel built in thermostat and heater increasing the temperature of the gauges approx. 44 ° C set so that the temperature effects can be examined. Connect 12 V voltage to the „FŰTÉS” point! After about 15 minutes, will be set to the thermal equilibrium. In this case, the temperature approx. 44o C. A change in temperature changes the resistance of the stamp. The reduction of the heater current indicates when the temperature reach the 44o C. In the space heated state measure again the resistance of the pressed and pulled stamps! The resistance measurement is carried out in two "polarity"! Evaluate the measured values!

6

Measuring with DSO II. 1. The aim of the measurement: A digitális oszcilloszkóp kezelésének többlet funkcióinak elsajátítása, a kapott mérési eredmények kiértékeléséhez szükséges szemlélet kialakítása. 2. Theory needed for the measurement: Az előadáson elhangzottak és a Méréstechnika (szerk. Dr. Horváth Elek) c. jegyzet oszcilloszkópokról szóló része, különös tekintettel a digitális oszcilloszkópok témájára. Ajánlott irodalom: - A TDS1002 oszcilloszkóp gépkönyve (elérhető a laboratóriumban, vagy letölthető a http://www.tek.com oldalról) - XYZs of Oscilloscopes (elméleti összefoglaló az oszcilloszkópok használatáról, a velük kapcsolatos fogalmakról, elérhető a laboratóriumban, vagy letölthető a http://www.tek.com oldalról) Bevezetés Az előző mérési ciklusban elkezdte a TDS 1002 digitális oszcilloszkóp funkcióinak áttanulmányozását. Ez a mérés annak a folytatása. 3.1. The useing of the cursors. In a {CURSOR} menu you are able to select amplitude (Voltage or Magnitude in case of FFT) as (Type) or (Time or Frequency in case of FFT). You can select (Source): CH1, CH2, (MATH), or the stored referencys (Ref A, Ref B). You can change the cursor position by the two Y POS. You can see the measured values: (Delta) and the positions of the cursors (Cursor 1, Cursor 2), left from the lower three soft keys.

7

a) Lets measure the frequency and amplitude of a sinusoid signal and the rising time of the square wave signal. Compare the measured values with the automatically measured values. (The advised wave forms: 1kHz, 1V amplitude sinusoid signal with 1V DC offset, 10kHz 1V amplitude square wave signal with 100mV DC offset) Mindenképpen térjen ki a jelek effektív értékének automatikus mérésére, a kapott eredményeket hasonlítsa össze a kurzoros mérések alapján számított értékekkel! 3.2. Digitális oszcilloszkópoknál a felhasználó és a mérés igényei szerint többféle adatgyűjtési mód választható ki. Az egyszerű mintavételes üzemmódban az oszcilloszkóp minden mintavételi szakaszban egy mintát tárol el, ebből a grafikus megjelenítés során a képernyő vízszintes felbontásának megfelelő számút jelenít meg (természetesen a digitális jelfeldolgozás után). Csúcsdetektáló üzemmódban egy-egy mintavételi szakaszból két mintát tárol el, ezek minden esetben a szakaszban a jel által felvett legkisebb és legnagyobb értékek. A megjelenítés ezek alapján történik. Az átlagoló üzemmódban az oszcilloszkóp az egyszerű mintavételes üzemmódhoz hasonlóan gyűjti a jelalak-információt, de adott számú (pl. 16, 64) hullámformát átlagol. Ez az üzemmód bizonyos szempontból zajszűrésnek is tekinthető. Select the {ACQUIRE} menu. Here you can select the (Sample), the (Peak Detect) or the (Average) mode. In an avarage mode you can select (Averages) the number of the periods: 4, 16, 64, 128. a) Set the highest frequency square wave on the function generator. Lets examine one period and only the riseing edge of it in the tree data acquire modes! Draw the wave forms! 3.3. By the {RUN/STOP} botton you are able the store the waveform on the display and on the stored signal you are able to measure by the cursors. By the {SINGLE SEQ} button the oscilloscope is just waiting to get triggered and you should see the wave frozen on your screen. a) Record the function generator output voltage in case of turn on and off the generator. Set the trigger level a to the half of

8

the maximal amplitude. Set a time base to 250 ms, and the trigger position to the left side of the screen. 3.4. Vizsgálja meg az oszcilloszkóp X-Y üzemmódját. Ehhez nyomja meg a {DISPLAY} gombot (21), ezen belül a középső változó funkciójú billentyűvel a megjelenítési formátumot (Format) váltsa időbeli megjelenítésről (YT) X-Y üzemmódra (XY). Ekkor CH1 az X, CH2 pedig az Y irányú eltérítést adja. Időbeli megjelenítésbe való visszakapcsoláshoz nyomja meg ismételten a megjelenítési formátum beállító gombot. X-Y üzemmódban nem lehet sem automatikus, sem kurzoros méréseket végezni. Vizsgálja meg az 2. sz. mérőpanelen R1 (10k) és C2 (10nF) elemekből felépített elsőfokú passzív aluláteresztő szűrő fázistolását a frekvencia függvényében! A mérést Lissajous módszerrel végezze! A mérés elvégzése után néhány célszerűen kiválasztott frekvencián ellenőrizze le a mérési eredményeket az időfüggvényeken végzett kurzoros mérésekkel! 3.5. Az oszcilloszkóp rendelkezik beépített automatikus beállítás üzemmóddal (autoset). Ezt a funkciót az {AUTOSET} gomb (18) megnyomásával aktiválhatjuk. A készülék képes felismerni a jel jellegét, ennek megfelelően választási lehetőségeket ad a gyors, optimális beállításra. Az oszcilloszkóp képes felismerni a szinuszos jellegű és a négyszögjel jellegű jeleket. Ebben az esetben az oszcilloszkóp lehetőséget ad arra, hogy a változó funkciójú billentyűkkel kiválasszuk, hogy egy vagy több periódust szeretnénk-e látni a jelből, illetve szinuszos jel esetén megvizsgálhatjuk a jel FFT spektrumát, vagy négyszögjel esetén annak felfutó vagy lefutó élét is. Az elmentés/visszatöltés menüben ({SAVE/RECALL}, (26)) beállításokat (max. 10 db.) és referencia jelalakokat (max. 2 db.) tárolhat el, illetve hívhat elő. A Utility menüben ({UTILITY}, (25)) a készülék állapotáról, esetleges hibáiról kaphat információt, a kijelzést invertálhatja (világos alapon sötét jelalak és feliratok), valamint megváltoztathatja a menük nyelvét, illetve automatikus önkalibrációt indíthat el. A {PROBE CHECK} gomb (9) megnyomásával a mérőfejek automatikus ellenőrzése aktiválható. A készülék kalibráló 9

négyszögjeléhez csatlakoztatva a mérőfejet, majd meghívva ezt a funkciót, az oszcilloszkóp leellenőrzi a mérőfej csillapításának beállítását, illetve azt, hogy a mérőfej megfelelően van-e kompenzálva. 3.6. - Testing the input comparator operating conditions and the operation time of it. Examination of the operating conditions of the KOMP1 comparator. CH 1

-

KOMP 1

+5 V + 1.5 k

470

47 k

100 SENSE LEVEL

The circuit of the comparator

Uin-Uout characteristics of the comparator with hysteresis The LEVEL knob set the comparison level, the SENSE knob set the value of the hysteresis. Connect +5V pover supply to the panel 3. Connect to the CH1 input 2V amplitude, 1kHz frequency triangle signal from the function generator!

10

Circuit for examination of the comparator Connect to the oscilloscope the CH1 and KOMP1 points signals and measure the follows:  Within what limits can adjust the comparison level by the LEVEL potentiometer? Set the SENSE potentiometer into the right end position! Measurement process: center the input signal 0 level vertically on the screen. Adjust the output signal switching points to the input signal by the YPOS knob. This level is the comparation level. If done correctly you will receive the same figure:

More accurate measurement is possible by cursor measurements as well.  

What is the maximum value of the hysteresis you are able to set by the SENSE potentiometer? Draw the Uin-Uout characteristics of the comparator with hysteresis by the help of the oscilloscope XY mode! Set the SENSE potentiometer into the left end position and set the LEVEL potentiometer into the right end position.

3.7. Examination of the delay time of the comparator. Use the previous circuit and connect 100 kHz square wave signal to the CH1 input. Set the square wave signals negative peak value to 0 V and the positive peak value to 3 V. Measure the delay time of the comparator in case of the input square wave falling and rising edge! Measure the delay time between the input and the output signal 50% level. 11

In case of analog oscilloscope always need to select the input signal as trigger source otherwise you will not see the edge of the input signal which in time became earlier than the output signal.

12

Trasducers II (temperature)

1 The aim of the measurement: Az ipari méréstechnikában a leggyakoribb mérendő jellemző a hőmérséklet. Hőmérséklet mérésére széles hőmérséklet tartományban fémalapú mérőellenállásokat, kisebb hőmérsékleti tartomány, de nagy érzékenységi igény esetén a félvezető alapúakat (termisztorok) alkalmaznak. Egyre elterjedtebbek az analóg vagy digitális kimeneti jellel rendelkező hőmérséklet mérő chippek is. Nagyobb hőmérsékletek mérésekor (0 – 1600 ºC) hőelemeket használnak. Jelen mérésben az említett hőmérséklet érzékelők legfontosabb tulajdonságaival ismerkedünk meg. 2 Theory needed for the measurement: A fémalapú ellenálláshőmérők (nikkel, platina) hőmérsékletellenállás karakterisztikáját n - d fokú parabolával szokás közelíteni. Kis hőmérséklettartományban, illetve korlátozott pontossági igény mellett elegendő, ha a közelítő parabola első fokú tagjával számolunk. Így jutunk az általánosan ismert: Rt = R0 [1 + at (t2 -t1)] (lineáris közelítés) összefüggéshez, ahol Rt a t2, R0 a t1 hőmérséklethez tartozó ellenállás értéke at a hőmérsékleti együttható (Ez fémalapú ellenálláshőmérőknél pozitív szám, fizikai jelentése és dimenziója a fenti egyenletből megállapítható.) Platina érzékelők használatánál sokszor a másod és harmadfokú tagokat is figyelembe veszik. Ez természetesen bonyolult 13

számításokat eredményez, ezért a platina érzékelők méréstartományát több hőmérsékleti szakaszra bontva az egyes rész-tartományokra adjak meg az átlagos hőmérsékleti együtthatót (at), ami lehetővé teszi a másod- és harmadfokú tagok elhagyását, ezzel egy lineáris közelítés használatát. A termisztorok karakterisztikája lényegesen eltér a platina mérőellenállásokétól. Az eltérés egyrészt abban jelentkezik, hogy a hőmérsékleti együttható lehet negatív is, másrészt az ellenállás karakterisztikája exponenciális jellegű. A karakterisztikát közelítőleg az alábbi egyenlet fejezi ki: Rt = R0 eB/T, ahol T az abszolút hőmérséklet, B az u.n. energiaállandó, R0 a "végtelen" hőmérséklet esetén mérhető ellenállás, R0 és B értékét két különböző hőmérsékleten mért ellenállásértékeiből meghatározhatjuk. Ennek igazolását az olvasóra bízzuk. A hőmérsékleti együttható (hőmérséklet egységére vonatkoztatott relatív ellenállásváltozás) negatív és függ a hőmérséklettől: at=dRt / Rt dT = - B/T2 A termisztorok erősen nemlineáris karakterisztikája sorosan és párhuzamosan kapcsolt ellenállásokkal linearizálható. Ennek számításával jelen merésben nem foglalkozunk. Az ellenállásos hőmérsékletérzékelők passzív elemek, ezért mérésükhöz (üzemeltetésükhöz) segédenergiára van szükség. A mérőáram melegíti az érzékelőket, ezért a mért ellenállás platina eseten nagyobb, termisztorná1 kisebb lesz, mint a környezeti hőmérséklethez tartozó elméleti érték. A mérési hiba csökkentése céljából - tapasztalati adatok alapján platina mérőellenállásra - nagy pontossági igényeknél - 1 mA áramot, termisztoroknál 10 μA áramot engednek meg legfeljebb. Hőelemek: Ha hőmérséklet emelkedés van egy elektromos vezetőben, akkor az energia (a hő) áramlás összekapcsolódik a vezetőben az elektronok áramlásával, és elektromotoros erő (emf) jön létre azon a területen. Az emf mérete és iránya is a hőmérséklet emelkedés méretétől és 14

irányától függ – és az anyagból alakít ki vezetőt. A vezető mentén lévő hőmérséklet különbség függvényében feszültség alakul ki. Ezt a hatást TJ Seebeck 1822 - ben fedezte fel. A vezető két vége között megjelenő feszültség a vezető hosszában létrejövő emf - ek összege. Egy fémnek a kimeneti feszültsége nem mérhető, mivel teljes áramkör körüli belső emf - ek összege minden hőmérsékleti helyzetben nulla. Így a gyakorlati hőelem érzékelőkben az a trükk, hogy két anyagot illesztenek össze, amiknek különböző a termoelektromos emf/hőmérsékleti karakterisztikája. Így használható az elektron áramlás és mérhető kimeneti feszültséget szolgáltat a két anyag.

1

3

T3 B

T1

C Rk

Rh E

2 T2

T5

V D

4

Um Rb

T4

1-2 Hőelem vezetékei 3-4 Hosszabbítóvezeték vagy Kompenzálóvezeték Az a két csatlakoztatott nem egyforma vezető, 1 és 2, ugyan annak a hőmérsékleti hatásnak van kitéve, ha T2 = T3. Alapvetően elektromos áram indul meg a csatlakozóponton keresztül a különböző termoelektromos emf és a két különböző fém okozta térerősség miatt. A termoelektromos emf a hőmérséklet esés területén jön létre és nem az összekötő pontban. Ez egy fontos dolog ahhoz, hogy megértsük a hőelemes hőmérsékletmérés gyakorlati alkalmazását. Szükséges, hogy a hőelem fémek fizikailag és kémiailag homogének legyenek. Hasonlóképpen az összekötő pontoknak azonos hőmérsékletű térbe kell esnie. Ha ezen feltételek közül akár csak az egyik nem teljesül, további nem kívánt emf - et fog eredményezni.

15

Mellékesen bármennyi darab vezető adható a termoelektromos körhöz anélkül, hogy megváltoztatná a kimeneti feszültséget, mindaddig, amíg mindkét végpontjuk azonos hőmérsékleten van és a homogenitás is biztosított. Ez vezetett a hosszabbító és kompenzálókábelek elgondolásához – megengedve az érzékelőkábel hosszúságának növelését. Hőmérséklet mérő chippek: A félvezető érzékelők ellenállásként, diódaként, tranzisztorok p-n átmeneteként szerezhetők be. A záróirányban előfeszített diódák és tranzisztorok érzékenysége 2 mV/ºC körül jelzett és könnyen gyárthatók és linearizálhatók -50 ºC és +100 ºC és ezeken is túl. 3. Measurement tasks: 3.1. Analysis of self-heating: The self-heating investigates only in the case of the thermistor, but it is true of course for all the resistance thermometer to measure current flowing through the sensor heats the sensor and cause measurement errors. The test is carried out on a separate sensor, since the aluminum block lead out of the sensor self-heating. Measure the resistance of the Therm 0 thermistor by the HM8012 digital multimeter measurements ranges given in the table below. As you see from the table below when DMM measuring resistance in different measurement ranges drive through different measuring currents on the resistor. After setting different measurement range wait until the thermal equilibrium (does not change the measured resistance approx. 2 minutes). Measurement range

Meas. current

500 kΩ (L4)

10 μA

50 kΩ (L3)

100 μA

5 kΩ (L2)

1 mA

R (at the beginning)

R (after thermal equilibrium)

ΔR

h%

In the case of 10 μA and look at the beginning of the current measurement value measurement baseline. 16

Calculate the relative error caused by the different measuring currents after thermal equilibrium! 3.2. Recording temperature curves: A mérendő objektum egy 6x6x1cm-es alumínium tömb, melynek a hátlapjára (6x6cm) egy 47 Ω-os 25 W-os fűtőellenállást helyeztünk el. Az érzékelők a tömb felső szélén vannak elhelyezve. Ezzel az elrendezéssel próbáljuk meg biztosítani, hogy minden érzékelő közel azonos hőmérsékletet mérjen. Az alumínium tömb tetején a 6x1 cm-es felületen van 4 féle érzékelő rögzítve, ezek kivezetéseit találják meg a mérőpanel előlapján. Some of the panel power supply permanently connected (~12V and ~42V), but the front panel must be connected to ± 15 V supply. The change in temperature can be achieved by varying the integrated switch. The maximum temperature is about 60 ° C for safety reasons. The measurement must be carried out in the temperature control switch each position. A controller performs the temperature setting. The base signal switched by the knob. For the stable temperature setting approx. 3 minutes is required. The easiest way to keep track of the achievement of the thermal equilibrium that to watch the thermistor resistance change. When thermistor resistance does not change (or only very slowly) regarded as the onset of thermal equilibrium. For the measurement use two HM8012, one TR1667/B and two MX-25201 digital multimeter. Plan by which instrument which measured sensor output signal should be measure! Connect one HM8012 multimeter in °C measuring mode to the red banana jack on the left-side of the panel, indicated value by the meter, consider the "authentic" referenica temperature! 17

Referencia temperature [ºC]

Therm [kΩ]

PT100 [Ω]

Hőelem [mV]

IC [mV] (10mV = 1 ºC)

Draw the temperature characteristics of the elements! Evaluate each of the sensors in terms of sensitivity and linearity. 3.3 Examination of the temperature distribution at the surface of solid bodies Measure the temperature of the aluminum block in the middle and the lower edge by the hand held thermometer after heating up of it. Explain the measured temperature values.

18