Mérés és adatgyujtés ˝ 3. óra - levelez˝o Mingesz Róbert Szegedi Tudományegyetem
2012. március 23.
MA lev - 3. óra
Verzió: 2.0 | Utolsó frissítés: 2012. március 18.
1/84
Tartalom I 1 Házi feladatok 2 Digitális multiméterek 3 BNC csatlakozó 4 Oszcilloszkópok 5 Muszerek ˝ kalibrálása 6 Muszerek ˝ védelme 7 Szenzorok 8 H˝ omérséklet mérése 9 Fény érzékelése 10 Mágneses tér érzékelése 11 További szenzorok MA lev - 3. óra
2/84
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 E-mail cím:
[email protected] Levél tárgya: „MA - Házi feladat 1” Formátum: 1 db pdf fájl
Honlap címe:
http://www.noise.physx.u-szeged.hu/Education/MA/ MA lev - 3. óra
Házi feladatok
3/84
Digitális multiméterek
Különböz˝o, elektromos mennyiségek mérése egy eszközzel MA lev - 3. óra
Digitális multiméterek
4/84
Minta kapcsolási rajz
MA lev - 3. óra
Digitális multiméterek
5/84
Feszültségosztó-lánc
Be
A bemen˝o impedancia méréshatártól függetlenül közel állandó Tipikusan 10 MΩ(olcsóbb muszereknél ˝ 1 MΩ)
200V 9M 20V
900k 2V 90k 200mV 10k
MA lev - 3. óra
V ±200mV
Digitális multiméterek
6/84
„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: 1 – 1000 Nem megbízhatók MA lev - 3. óra
Digitális multiméterek
7/84
Kézi multiméterek
Ár: 10 000 Ft – 100 000 Ft MA lev - 3. óra
Digitális multiméterek
8/84
Multiméterek tulajdonságai Min˝oség (aranyozott csatlakozók, tárcsa, elem kijelzése, megbízhatóság...) Digitek száma (felbontás, pl. 3,5; 4,5 ...) Pontosság, reprodukálhatóság Függ a méréshatártól, pl. 0,5% ± 2 dg Bels˝o ellenállás Feszültség mérése: RM = 10 MΩ (független a méréshatártól) Áramer˝osség mérése: UM < 0,3 V (függ a méréshatártól)
MA lev - 3. óra
Digitális multiméterek
9/84
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 H˝omérséklet mérése 4-20 mA-es jeladók fogadása Logikai jelek vizsgálata Háttérvilágítás PC kapcsolat MA lev - 3. óra
Digitális multiméterek
10/84
3,5 Digit 3,5 digit ⇒ kijelzett érték: -1999 – +1999 (3,75 digit ⇒ kijelzett érték: -3999–+3999) Pontosság számolása: Pl.: Méréstartomány: 200 kΩ ⇒ Felbontás: 0,1 kΩ Pontosság: +1,2% + 3d Mért érték: 85,3 kΩ ⇒ Maximális hiba: 85,3 kΩ ∗ 0,012 + 0,1 kΩ · 3
MA lev - 3. óra
Digitális multiméterek
11/84
Metex M3800 Ár: 18 000Ft; 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
UNI-T UT60H Ár: 28 000Ft 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
Asztali multiméterek Ár: 100 000 Ft – 500 000 Ft Nagyobb pontosság, felbontás, reprodukálhatóság Szélesköru ˝ PC kapcsolat Négypontos mérések Csatlakozók hátsó kivezetése
MA lev - 3. óra
Digitális multiméterek
14/84
Agilent 34410A 6,5 Digit felbontás (1 000 minta/s) 5,5 Digit felbontás (10 000 minta/s) LAN, USB, GPIP kapcsolat 50 k adatlogger DC feszültségmérés: 0,003% pontosság 10 MΩvagy 10 GΩbemen˝o 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
Speciális „multiméterek” Szigetelési ellenállás mérése Nagy feszültség rákapcsolása a mért áramkörre (akár kV) miliΩ/ mikroΩmér˝ok Induktivitás- / kapacitásmér˝ok (RCL meter) Source-meter Nagyobb áram/feszültség rákötése a mért eszközre Kalibráló eszközök
MA lev - 3. óra
Digitális multiméterek
16/84
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
Vezeték hullámimpedanciája
Vezeték hullámimpedanciája s
Z0 =
MA lev - 3. óra
R + iωL G + iωC
BNC csatlakozó
18/84
Vezeték hullámimpedanciája Nem megfelel˝o illesztés ⇒ visszaver˝odés
Ube
Kiküszöbölés: lezáró ellenállások Uki 50 Ω 50 Ω
MA lev - 3. óra
BNC csatlakozó
19/84
Oszcilloszkópok Cél: váltakozó jelek mérése
MA lev - 3. óra
Oszcilloszkópok
20/84
Analóg oszcilloszkópok felépítése
MA lev - 3. óra
Oszcilloszkópok
21/84
A katódsugárcs˝o
MA lev - 3. óra
Oszcilloszkópok
22/84
Oszcilloszkóp bemenete
Bemenet impedanciája: 1 MΩ: nagy impedancia 50 Ω: gyors jelek mérése
MA lev - 3. óra
Oszcilloszkópok
23/84
AC / DC / GND
MA lev - 3. óra
Oszcilloszkópok
24/84
Vízszintes eltérítés
MA lev - 3. óra
Oszcilloszkópok
25/84
Triggerelés
MA lev - 3. óra
Oszcilloszkópok
26/84
Digitális oszcilloszkópok felépítése
MA lev - 3. óra
Oszcilloszkópok
27/84
Digitális oszcilloszkóp
MA lev - 3. óra
Oszcilloszkópok
28/84
USB oszcilloszkóp
MA lev - 3. óra
Oszcilloszkópok
29/84
PC szoftver
MA lev - 3. óra
Oszcilloszkópok
30/84
PC szoftver
MA lev - 3. óra
Oszcilloszkópok
31/84
Logikai jelanalizátor Logikai jelek elemzése Sok csatorna (8-128) Választható logikai szintek Protokoll értelmezése
MA lev - 3. óra
Oszcilloszkópok
32/84
Kevert jelu ˝ oszcilloszkópok (Mixed Signal)
MA lev - 3. óra
Oszcilloszkópok
33/84
Oszcilloszkópok tulajdonságai / szolgáltatásai Bemen˝o csatornák 1, 2, 4; digitális bemenetek Trigger bemenet 1 MΩ, 50 Ω Analóg sávszélesség (50 MHz...) Függ˝oleges érzékenység, felbontás
Mintavételi frekvencia Valós ideju: ˝ (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 el˝ott mér az oszcilloszkóp Triggerelés logikai állapotokra MA lev - 3. óra
Oszcilloszkópok
34/84
Oszcilloszkópok tulajdonságai / szolgáltatásai Kijelz˝o (monokróm, színes) Kurzorok Automatikus beállítás Kapcsolat a külvilággal PC kapcsolat (USB, ...) Monitor csatlakozás Egér, billentyuzet ˝ Pen-drive Nyomtató Eszközök vezérlése
Automatikus mérések Spektrum Amplitúdó, RMS, frekvencia, felfutási id˝o... Hibás jelelakok felismerése
Perzisztens kijelzés (Digital phosphor) Ár (40 eFt ... 40 MFt) MA lev - 3. óra
Oszcilloszkópok
35/84
Mér˝ofejek Bemen˝o impedancia növelése Bemen˝o feszültség osztása Er˝osítés Aktív/passzív mér˝ofej
MA lev - 3. óra
Oszcilloszkópok
36/84
Mér˝ofejek
MA lev - 3. óra
Oszcilloszkópok
37/84
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
PicoScope – Választék
MA lev - 3. óra
Oszcilloszkópok
39/84
PicoScope – Választék
MA lev - 3. óra
Oszcilloszkópok
40/84
PicoScope – Választék
MA lev - 3. óra
Oszcilloszkópok
41/84
PicoScope – Választék
MA lev - 3. óra
Oszcilloszkópok
42/84
PicoScope – Választék
MA lev - 3. óra
Oszcilloszkópok
43/84
Muszerek ˝ kalibrálása Cél: megbízható mérési eredmények A mérési eredmények visszavezethet˝osége: Egységdefiníció Nemzetközi etalon Nemzeti etalon Referencia etalonok (akkreditált kutatólaboratóriumok) Használt etalonok (felhasználói kalibrálások) Mér˝omuszer ˝
Önkalibrálás: bels˝o, stabil etalon
MA lev - 3. óra
Muszerek ˝ kalibrálása
44/84
Hitelesítés / Kalibrálás Hitelesítés Hatósági tevékenység, jogi szabályozás
Kalibrálás
A mér˝oeszközöket az OMH hitelesíti A jogszabályok által meghatározott eszközöket kell hitelesíteni, a mér˝oeszköztípusra engedély kell Sikeres hitelesítés ⇒ hitelesítést tanusító jel / bizonyítvány. A hitelesítési bizonyítvány hatósági dokumentum, meghatározott ideig érvényes A hitelesítést a jogszabályban meghatározott id˝oközönként meg kell ismételni MA lev - 3. óra
Muszerek ˝ kalibrálása
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.
45/84
Kalibrálás Direkt kalibrálás
Indirekt kalibrálás
MA lev - 3. óra
Muszerek ˝ kalibrálása
46/84
Muszerek ˝ védelme Érintésvédelem 1. érintésvédelmi osztály – véd˝oföldelés Mindig földelni kell 2. érintésvédelmi osztály – kett˝os szigetelés A megérinthet˝o részek vagy muanyagból ˝ vannak, vagy a fémrészeken nem lehet veszélyes feszültség (meghibásodás esetén sem). 3. érintésvédelmi osztály – törpefeszültség 50 V alatti feszültség. Leválasztó transzformátor ( ⇒ földfüggetlen)
Zavarvédelem Tápfeszültség szurése ˝ Árnyékolás Földelés (csillagpontos)
Túlfeszültségvédelem Villámvédelem ESD védelem (statikus feltölt˝odés ellen) MA lev - 3. óra
Muszerek ˝ védelme
47/84
IP védelem Muszer ˝ védelme a küls˝o behatásokkal szemben Els˝o 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 muködését ˝ 6: Nem juthat por az eszközbe
MA lev - 3. óra
Muszerek ˝ védelme
48/84
IP védelem Második számjegy: Víz behatolása elleni védettség 0: nincs védettség 1: Függ˝olegesen csöpög˝o víz elleni védettség 2: Csöpög˝o víz elleni védelem max. 15 fokos szögig 3: Csöpög˝o víz elleni védelem max. 60 fokos szögig 4: Védelem fröccsen˝o víz ellen 5: Védelem vízsugár ellen 6: Védelem er˝os vízsugár ellen 7: Vízállóság 1 m mélységig (30 percig) 8: Vízállóság 1 m mélységig, tetsz˝oleges ideig Ha bejut a víz az eszközbe, az nem akadályozhatja annak muködését. ˝
Példa: IP67: A készülékbe nem juthat por A készülék meghatározott ideig 1 méter mélységig vízálló
MA lev - 3. óra
Muszerek ˝ védelme
49/84
Digitális mér˝omuszer ˝
Fizikai mennyiségek
Beavatkozás
MA lev - 3. óra
Szenzorok Elektromos jelek
Aktuátorok
Szenzorok
A/D Digitális jelek
Digitális feldolgozás
Külső jelek
D/A
50/84
A szenzorok muködése ˝ Zavarjelek
Szenzor
Bemenet Fizikai mennyiség
Kimenet (Elektromos jelek)
Segédenergia Energia-átalakítás történik Energiafajták: Sugárzási energia, mechanikai energia, h˝oenergia, villamos energia, mágneses energia, kémiai energia MA lev - 3. óra
Szenzorok
51/84
Szenzorok jellemzése Bemeneti fizikai mennyiség pl. h˝omérséklet, elmozdulás, mágneses térer˝osség... Kimen˝o fizikai mennyiség (általában elektromos mennyiség) pl. feszültség, áramer˝osség, ellenállás... Aktív (termóelem, pH-mér˝o, fényelem) Passzív - muködéséhez ˝ segédenergiára van szükség (termisztor, fotóellenállás, Hall-szonda) Karakterisztika: a kimenet függése a bemeneti mennyiségt˝ol lineáris / nem lineáris Muködési ˝ elv Kialakítás
MA lev - 3. óra
Szenzorok
52/84
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) H˝omérsékletfüggés Környezeti hatások (rezgések, nyomás, nedvesség...) Beállási id˝o Frekvenciakarakterisztika MA lev - 3. óra
Szenzorok
53/84
H˝omérséklet mérése A legtöbb folyamat, fizikai, kémiai... tulajdonság h˝omérsékletfügg˝o pl. sur ˝ uség, ˝ ellenállás, reakciósebesség... Az egyik leggyakrabban mért paraméter Mérés elve: a h˝omérsékletváltozás hatására változás áll be a szenzorban vezet˝oképesség megváltozása thermoelektromos effektusok h˝otágulás hallmazállapot-változás kémiai reakció (egyensúly eltolódás)
Biztosítani kell a megfelel˝o h˝oátadást h˝ oátadás - közvetlen érintkezés h˝ ovezetés - valamilyen közeg viszi át a h˝oenergiát h˝ osugárzás - elektromágneses sugárzás útján
MA lev - 3. óra
H˝omérséklet mérése
54/84
Bimetál kapcsoló Két állapot Hiszterézis
MA lev - 3. óra
H˝omérséklet mérése
55/84
Ellenállás h˝omér˝ok (RTD) Fémek ellenállása h˝omérsékletfügg˝o Leggyakrabban alkalmazott fém: platina ⇒ PT100 szenzorok: 0 ◦ C: 100 Ω Mérési tartomány: -260 ◦ C .. 850 ◦ C
MA lev - 3. óra
H˝omérséklet mérése
56/84
Ellenállás h˝omér˝ok (RTD) Nagy pontosság Alacsony drift Széles mérési tartomány A termisztorokhoz képest lassaúbb reagálási id˝o (néhány másodperc) Típikus méret > 3 mm Ár > 2000 Ft
MA lev - 3. óra
H˝omérséklet mérése
57/84
Ellenállás h˝omér˝ok mérése Feladat: nagy pontossággal és felbontással mérni az ellenállás változást
MA lev - 3. óra
H˝omérséklet mérése
58/84
Ellenállás h˝omér˝ok mérése
MA lev - 3. óra
H˝omérséklet mérése
59/84
Félvezet˝o h˝omérsékletmér˝o szenzorok: Termisztor (NTC) H˝omérséklet növekedése ⇒ töltéshordozók számának növekedése ⇒ ellenállás csökkenése Általános képlet: R(T ) = Rref · e
A+ TB +
C T2
+
D T3
Gyakran használt formula: B25/85 = 3500 · · · 4500 R(T ) = R25 · e T (R) =
MA lev - 3. óra
H˝omérséklet mérése
B25/85 T
−
B25/85 T25
1 1 T25
+ B25/85 · ln RR25 1
60/84
Termisztor
Mérési tartomány -90 ◦ C .. 130 ◦ C Átmér˝o > 1,5 mm Ár > 100 Ft
MA lev - 3. óra
H˝omérséklet mérése
61/84
Termoelem Seebeck-effektus:
Termoelem (Réz-Konstantán vezetékek)
MA lev - 3. óra
H˝omérséklet mérése
62/84
Termoelem - hidegpont
Hidegpont kompenzálás
MA lev - 3. óra
H˝omérséklet mérése
63/84
Termoelem Kis impedancia, kis feszültség: nagy er˝osítés szükséges Jó közelítéssel lineáris Átmér˝o > 1.5 mm Ár > 2000 Ft Mérési tartomány K típusú termoelem esetén: -200 ◦ C .. +1350 ◦ C
MA lev - 3. óra
H˝omérséklet mérése
64/84
IC h˝omérsékletszenzorok LM35 Lineáris kimenet + 2 ◦ C– + 150 ◦ C
MA lev - 3. óra
LM35 Digitális kimenet (I2C) - 40 ◦ C– + 125 ◦ C
H˝omérséklet mérése
65/84
Pirométerek H˝omérséklet ⇒ h˝osugárzás (általában infravörös) A sugárzás spektruma h˝omérsékletfügg˝o ⇒ a h˝omérséklet meghatározható Kontaktus nélküli mérés Mérési tartomány: -32 ◦ C .. 3000 Celsius
MA lev - 3. óra
H˝omérséklet mérése
66/84
Fény érzékelése Fény ⇒ h˝omérsékletváltozás elektronok gerjesztése elektronok kilépése
MA lev - 3. óra
Fény érzékelése
67/84
Bolométer H˝ohatás mérése (infravörös fény detektálása)
MA lev - 3. óra
Fény érzékelése
68/84
Fotóellenállás (light dependent resistor) Félvezet˝o Fény ⇒ elektronok kerülnek át a vezetési sávba Hátrányok: lassú El˝onyök: egyszeru ˝ alkalmazhatóság, ohmikus Spektrális érzékenység: típustól függ
MA lev - 3. óra
Fény érzékelése
69/84
Fotodióda El˝onyök: gyors az áram arányos a fényintenzitással olcsó
Érzékenység: szükség szerint optikai szur˝ ˝ ovel módosítható
MA lev - 3. óra
Fény érzékelése
70/84
Fotodióda
MA lev - 3. óra
Fény érzékelése
71/84
Fotodióda
MA lev - 3. óra
Fény érzékelése
72/84
Fotótranzisztor Tranzisztor vezérlése: fény (a bázisáram helyett) Nagyobb érzékenység/áram
MA lev - 3. óra
Fény érzékelése
73/84
CCD
MA lev - 3. óra
Fény érzékelése
74/84
H˝okamera
MA lev - 3. óra
Fény érzékelése
75/84
Ionizáló sugárzások érzékelése Muködési ˝ elv: Elektronok gerjesztése (vezetés, fényhatás) Ionizáció
Geiger-Müller számláló MA lev - 3. óra
Szcintillátor Fény érzékelése
76/84
Mágneses terek érzékelése Váltakozó mágneses terek → mágneses indukció Állandó mágneses terek → Hall-effektus, ...
MA lev - 3. óra
Mágneses tér érzékelése
77/84
Hall-effektus
Félvezet˝ok esetén a töltéshordozók mint + mind − el˝ojeluek ˝ lehetnek MA lev - 3. óra
Mágneses tér érzékelése
78/84
További mágneses érzékel˝ok Reed-relé
MA lev - 3. óra
SQUID: gyenge terek érzékelése
Mágneses tér érzékelése
79/84
Kémhatás mérése Nehézségek: nagy bels˝o ellenállás, alacsony feszültség
MA lev - 3. óra
További szenzorok
80/84
Páratartalom mérése
MA lev - 3. óra
További szenzorok
81/84
Gázok érzékelése - Taguchi szenzorok
Ellenállás változás Szenzor zajának változása MA lev - 3. óra
További szenzorok
82/84
Oxigén koncentráció érzékelése - Lambda-szonda
MA lev - 3. óra
További szenzorok
83/84
Pulzoximéter Pulzusszám Oxigén szaturáció
MA lev - 3. óra
További szenzorok
84/84
