V. ČINNOST A VLASTNOSTI ELEKTRICKÝCH MĚŘICÍCH PŘÍSTROJŮ 1. ROZDĚLENÍ MĚŘICÍCH PŘÍSTROJŮ Elektrická měření zaujímají prakticky ve všech odvětvích významné postavení. Elektrické veličiny se totiž poměrně snadno měří a měřená veličina se dobře přenáší i na větší vzdálenosti. Velmi často se i neelektrické veličiny měří elektrickými metodami. K přeměně neelektrické veličiny v elektrickou se používají vhodně upravené snímače. Pro měření elektrických veličin se používají měřicí přístroje, které jsou v podstatě dvojího druhu. Do prvé skupiny lze zařadit přístroje, jejichž působení je založeno na účincích elektrického proudu. Druhá skupina obsahuje přístroje, které pracují na základě elektrostatického působení elektrických nábojů. Podle druhu měřené veličiny lze přístroje rozdělit na: • voltmetry a milivoltmetry - pro měření napětí, • ampérmetry, miliampérmetry a mikroampérmetry - pro měření proudu, -5 -12 • galvanometry - pro měření velmi malých proudů (10 až 10 A), • wattmetry - pro měření výkonu elektrického proudu, • elektroměry - pro měření elektrické práce, • ohmmetry - pro měření odporů, • kmitoměry - pro měření kmitočtu střídavého proudu a napětí. Podle způsobu zpracování a vyhodnocení měřené veličiny rozdělujeme přístroje na analogové a digitální. Analogové přístroje vyhodnocují měřenou veličinu spojitým způsobem, nejčastěji formou pohybujícího se ukazatele. Digitální přístroje udávají měřenou veličinu numericky nebo opticky po stupních, odpovídajících rozdílu dvou následujících znaků na posledním místě údaje.
2. ANALOGOVÉ MĚŘICÍ PŘÍSTROJE Analogový měřicí přístroj se skládá obvykle ze tří základních částí: a) zařízení pro čtení výchylky, b) tlumení pohybu ručičky přístrojů, c) vlastní měřicí systém.
2.1 Zařízení pro čtení výchylky Pohyb pohyblivé části přístroje se převádí na ručku. Podle konstrukce může ručka konat pohyb otáčivý nebo posuvný. Tvar ručky je závislý na žádané přesnosti odečítání. U laboratorních přístrojů se používají ručky nožové, podložené zrcátkem pro odstranění paralaxy při odečítání. Často je potřeba mít trvalý záznam o průběhu měřené veličiny v určitém časovém rozmezí. Vhodným převodem z pohyblivé části přístroje lze dosáhnout toho, že veškeré změny měřené veličiny jsou zapisovány na rovnoměrně se pohybující pruh papíru. Jiný způsob registrace je proveden tak, že z otočné části se vhodným převodem převádí velikost měřené veličiny na počítací strojek. Tohoto způsobu registrace se například používá u elektroměrů, kde výsledek je vyjádřen číslicovou formou. 37
U citlivějších přístrojů, např. u galvanoměru, se používá zrcátkového zařízení pro čtení výchylky. Převod z pohyblivého měřicího systému se neděje mechanicky, ale opticky. Obraz clonky je promítán na zrcátko, umístěné na otočné části systému, a odráží se na stupnici přístroje. Optická indikace umožňuje podstatně snížit váhu otočné části a zvětšením délky světelného paprsku lze zvětšit citlivost přístroje. Stupnice mohou být buď lineární nebo nelineární, obvykle s nulou na počátku. U galvanoměrů se používá stupnic s nulou uprostřed. Občas se setkáme i se stupnicí s potlačenou nulou, případně se stupnicí prodlouženou. U této stupnice od místa označeného tečkou jsou uvedené hodnoty pouze orientační a nevyhovují třídě přesnosti měřidla. V případě, že měřidlo není připojeno ke zdroji elektrického proudu a ručka přitom neukazuje na nulový dílek stupnice, můžeme nulu nastavit otáčením regulačního prvku na čelní straně měřicího přístroje.
2.2 Tlumení přístrojů Po zapnutí přístroje ke zdroji proudu se ručička vychýlí z nulové polohy a ustálí se v poloze, která odpovídá velikosti měřené veličiny. Nejvhodnější pohyb ručičky je na mezi aperiodicity. Ručka se má vychýlit a bez překmitnutí ustálit na konečné výchylce. Je-li tlumení malé, ručka kmitá kolem konečné hodnoty a teprve po delší době se ustálí. Toto tlumení je pro měření nevhodné. Kromě speciálních případů se používá tlumení magnetické nebo vzduchové. Tlumení je často vzduchové. V tom případě se pístek spojený s ručkou pohybuje v dutině a jeho pohyb je brzděn tlakem vzduchového polštáře uvnitř dutiny. Tlumení magnetické je založeno na vzniku vířivých proudů ve vodivém segmentu spojeném s otočnou částí měřidla. Při pohybu indukované vířivé proudy svým účinkem působí proti směru otáčení ručky. Pohybová energie systému se mění v Joulovo teplo a tím je pohyb brzděn.
2.3 Systémy elektrických přístrojů Uložení otočných částí systémů bývá nejčastěji hrotové. Osa měřicího systému je zakončena kuželovým ocelovým hrotem, který dosedá do ložiska, v němž se otáčí. Pro těžší systémy je vhodnější uložení čepové. Často se používá i závěsného uložení, kdy je měřicí systém připevněn mezi dvě napjatá vlákna. Závěsné uložení odstraní pasivní odpory tření a není tak citlivé na otřesy. Při jakékoliv manipulaci s přístroji je zapotřebí s nimi zacházet velmi šetrně. Na tom přímo závisí přesnost, s níž je možno měřit. V dalším výkladu se budeme zabývat jednotlivými měřicími systémy.
2.3.1 Systém magnetoelektrický Nazývá se často také Deprez d'Arsonval a v měřicích přístrojích se používá nejčastěji. Jeho základním prvkem je cívka, protékaná měřeným proudem, která je umístěná v magnetickém poli. Na vodiče cívky tudíž působí síly, které vytvářejí otáčivý moment a cívka se může pootáčet. Na obr. 1 jsou schematicky znázorněny základní části systému. Magnetický obvod tvoří trvalý magnet 1 s pólovými nástavci 2 z magneticky měkkého materiálu. Pólové nástavce tvoří válcovitou dutinu, ve které je souose umístěn váleček z měkké oceli 3. Ve vzduchové mezeře mezi nástavci a válečkem tak vzniká radiální magnetické pole se stejnou indukcí. Silový moment působící na cívku 4, umístěnou ve vzduchové mezeře, je potom přímo úměrný proudu I tekoucímu cívkou. Vlastní cívka se otáčí kolem vnitřního válečku a je uchycena 38
hroty v ložiskách. Přívod proudu do cívky tvoří vlasové spirálové pružinky 6, které zároveň vyvozují direktivní moment Md. Cívka je spojena s ručkou 5, která umožní čtení na stupnici. Hmotnost ručky je vyvážena závažíčky 7. Otáčivý moment M elektromagnetických sil, působící na pohyblivou část měřidla, je dán součinem síly F a ramene otáčení, tedy M = B I l 2 r z = k1 I ,
(1)
kde je F = B I l , z - počet závitů cívky, l - aktivní délka vodiče jednoho závitu, I - protékající proud, r - poloměr cívky, B - indukce magnetického pole. Proti otáčivému pohybu cívky působí direktivní moment vytvářený zkrucováním přívodních pružinek. Direktivní moment Md pružinek, tvořených torzními vlákny, je úměrný natočení vláken a je dán lineárním vztahem: Md = k2ϕ , 2) kde je ϕ - úhlová výchylka cívky, k2 - torzní tuhost pružin. Obr. 1 Systém magnetoelektrický V ustáleném stavu se direktivní moment pružin rovná elektromagnetickému momentu: M = Md. Z toho vyplývá, že úhlová výchylka ϕ cívky je přímo úměrná procházejícímu proudu: k (3) ϕ = 1 I = KI . k2
Stupnice přístroje je tedy rovnoměrná. Aby ručka nekývala kolem rovnovážné polohy příliš dlouho, je měřicí systém tlumen. Zpravidla se u magnetoelektrických přístrojů používá tlumení vířivými proudy. Konstrukční provedení je jednoduché. Cívka je navinuta na hliníkovém rámečku, který se otáčí s cívkou v magnetickém poli. Vířivé proudy působí brzdícím momentem proti jeho pohybu a tedy proti pohybu cívky. Magnetoelektrické přístroje měří střední hodnotu proudu. Při zapojení magnetoelektrického přístroje je zapotřebí brát zřetel na polaritu. Změna směru proudu v cívce systému má totiž za následek i změnu směru výchylky ručky. Ručka by tím ukazovala mimo stupnici; proto magnetoelektrický systém má vždy označenou svorku + a při zapojování musí být tato polarita vždy dodržena. Připojí-li se magnetoelektrický systém na střídavý proud, cívka se snaží sledovat změny polarity proudu. Při vyšších frekvencích to však není možné, proto se cívka i ručka ustálí na střední hodnotě. Abychom mohli tímto systémem měřit i střídavé proudy s nulovou střední hodnotou, je do přístroje zabudován usměrňovač. Stupnice přístroje již nebude lineární. Mimo to na ampérmetrech s usměrňovačem je dosti velký úbytek napětí při měření. Přístroje s usměrňovači jsou vhodné pouze pro nízké a střední frekvence. Pro měření vysokých frekvencí již vadí kapacita usměrňovacích článků, a proto se používá tzv. termoelektrický měnič.
39
Výchylka je potom úměrná kvadrátu proudu. Stupnice přístroje je cejchována v efektivních hodnotách.
2.3.2 Systém elektromagnetický Původně byl tento systém tvořen jádrem z měkkého železa, které bylo vtahováno do dutiny cívky protékané proudem. Toto provedení se ale prakticky neužívá. Nynější systém tvoří cívka, v jejíž dutině jsou dva plíšky z měkkého železa. Jeden z plíšků je pevně spojen s cívkou a druhý je otáčivý kolem osy cívky. Průchodem proudu cívkou vznikne magnetické pole. Jeho vlivem se plíšky souhlasně zmagnetují a odpuzují. Pohyblivá část pak vychyluje ručku s ní spojenou. Výchylka ručky ϕ je dána vztahem: 2
ϕ = KI .
(4) Stupnice těchto přístrojů by proto byla kvadratická, ale je možné ji částečně linearizovat vhodným tvarem plíšků. Na obr. 2 je naznačeno uspořádání systému (1 - cívka, 2 - pevný plíšek, 3 otočný plíšek, 4 - spirálová pružina, 5 - ručička). Tlumení ručičky je vzduchové a je obdobné jako u některých analytických vah. Na ose ručky je připevněno lehké hliníkové křidélko, tvořící píst v krabičce tvaru válcového segmentu. Při pohybu je brzděno vzniklým přetlakem vzduchu před pístem. Elektromagnetické přístroje jsou méně citliObr. 2 Systém elektromagnetický vé než přístroje magnetoelektrické, jsou však výrobně jednodušší a hodí se i pro měření střídavých proudů, kdy měří jejich efektivní hodnotu. Jejich výhodou je značná přetížitelnost a mechanická robustnost.
2.3.3 Systém elektrodynamický Elektrodynamické přístroje jsou konstruovány s jednou cívkou pevnou, kterou prochází proud I1 a s jednou cívkou otočnou, kterou teče proud I2 (obr. 3). Otočná cívka L2 je ve své rovnovážné poloze držena spirálovými pružinami, podobně jako je tomu u Deprézského přístroje. Princip funkce je tento: Proud I1 tekoucí pevnou cívkou L1 vytváří v jejím okolí magnetické pole, jehož indukce B je v každém místě úměrná (podle Biotova-Savartova zákona)∗ proudu I1. Toto pole působí na pohyblivou cívku silami, jejichž otáčivý moment M je úměrný součinu B I2 a tedy i součinu obou proudů. B ~ I1, M ~ B I2 , M = k B I2 = k' I1 I2 .
∗
(5)
Urbanová M., Hofmann J.: Fyzika II. VŠCHT Praha 2000, str. 69
40
Konstanta úměrnosti k' závisí na počtu závitů cívek, jejich ploše a úhlu, který svírají roviny cívek. Spojí-li se obě cívky do série, protéká jimi stejný proud a systém lze použít ke konstrukci voltmetru nebo ampérmetru se stupnicí jen přibližně kvadratickou. Elektrodynamického systému lze výhodně použít ke konstrukci wattmetru. Připojí-li se totiž jedna z cívek do série ke spotřebiči, takže jí protéká proud I, a druhá paralelně ke spotřebiči, kde protéká proud úměrný napětí U na spotřebiči, je moment M elektromagnetických sil úměrný elektrickému výkonu, dodávanému do spotřebiče: M = k ′′ U I. (6) V případě, že měříme výkon střídavého Obr. 3 Systém elektrodynamický proudu, potom systém reaguje jen na činnou složku výkonu, neboť střední hodnota momentu sil M v jedné periodě je
k ′′ T M = ∫ u i dt = K U ef I ef cos ϕ , T 0
(7)
když i = I0 cos ωt a u = U0 cos (ω t + ϕ ). Vhodnou úpravou se získá stupnice wattmetru prakticky lineární. Nevýhodou tohoto jinak robustního a mechanicky odolného přístroje je ta okolnost, že pokud součin obou proudů je konstantní, ukazuje stejnou výchylku. Je-li např. proud I1 dvojnásobný, než tepelně snese prvá cívka, a proud I2 je poloviční, potom výchylka přístroje nás neupozorní, že jedna z cívek je přetížena a dojde tak ke zničení přístroje. Proto je vhodné alespoň jeden z proudů kontrolovat ještě dalším měřicím přístrojem. Tlumení je podobné jako u elektromagnetických přístrojů.
2.3.4 Systém rezonanční K měření frekvence se užívá jazýčkových frekventoměrů. Elektromagnet 4 protékaný proudem i = I0 sin ω t přitahuje ocelový jazýček 1 zakončený praporkem 2 a zakotvený v desce 3 silou úměrnou čtverci magnetické indukce. Magnetická indukce je úměrná proudu i,
Obr. 4 Princip frekventoměru
který teče cívkou. Platí:
K (8) (1 − cos 2 ω t ) . 2 Síla má tedy dvě složky, jednu na čase nezávislou a druhou závislou na dvojnásobku frekvence střídavého proudu. Pokud vlastní rezonanční frekvence jazýčku leží v těsné blízF = kB 2 = KI 02 sin 2 ω t =
41
kosti dvojnásobné frekvence přiváděného proudu, pak se jazýček rozkmitá. Praporek 2 umožňuje snadné pozorování kmitů. Frekventoměr je principiálně konstruován dle obr. 4, kde je naznačen v řezu. Má řadu jazýčků mechanicky laděných po vhodně odstupňovaných frekvencích, většinou po půl Hz. Můžeme tedy frekvenci proudu měřit s přesností čtvrt Hz. Za frekvenci proudu bereme většinou poloviční frekvenci toho jazýčku, který kmitá s největší výchylkou. Kmitají-li dva jazýčky se stejnou výchylkou, potom bereme aritmetický průměr obou polovičních frekvencí. Každá z těchto polovičních frekvencí je na stupnici frekventoměru vyznačena přímo v Hz.
2.4 Normalizované značky na stupnici přístroje Na měřicích přístrojích, na něž se vztahuje norma ČSN 35 6201, musí být vyznačeny na stupnici nebo na vnější straně krytu tyto údaje: • jméno nebo značka výrobce, • výrobní číslo (u přístrojů třídy přesnosti 0,1 až 0,5), • jednotka měřené veličiny (u přístrojů s více rozsahy se též vyznačují jednotky a měřicí rozsahy u svorek nebo u přepínačů rozsahů), • třída přesnosti, • druh proudu, • zkušební napětí, • druh měřicího ústrojí, • údaj patřičného příslušenství nebo jiných oddělených částí, • jmenovité hodnoty (je-li jmenovitá hodnota veličiny přiváděné na svorky přístroje odlišná od maximální hodnoty měřené veličiny vyznačené na stupnici). Podle potřeby jsou pro jednotlivé případy předepsány další údaje, např. údaj vztažných podmínek (poloha přístroje, teplota, je-li odlišná od 20 °C apod.), odpor obvodů přístroje atd. Pro většinu těchto údajů se používá stanovených značek podle tabulky 1. a 2.
2.5 Třída přesnosti Určuje chybu, se kterou přístroj měří. Třída přesnosti je chyba v ± % z rozsahu celé stupnice. U nás je normalizována tato řada třídy přesnosti: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5. Největší dosažitelnou přesnost mají etalony. Slouží k cejchování a kontrole laboratorních a provozních přístrojů. Jejich třída přesnosti je lepší než 0,2. V laboratoři se zpravidla používají přístroje s třídou přesnosti 0,5; 1; 1,5. Jsou konstruovány tak, aby jejich obsluha byla snadná a přesnost dostačující pro běžná měření. Relativní chyba rr naměřené veličiny v procentech se vypočítá ze vztahu: rr =
třída přesnosti × rozsah . naměřená hodnota
(9)
2.6 Citlivost a konstanta přístroje Pro posouzení měřidla se často uvádí citlivost přístroje C: dílek počet dílků na stupnici , . rozsah měřidla jednotka měřené veličiny Převrácená hodnota citlivosti je konstanta přístroje K:
C=
42
(10)
K=
rozsah měřidla jednotka měřené veličiny , . počet dílků stupnice dílek
(11)
Konstanta přístroje K je číslo, kterým se musí vynásobit údaj přístroje, vyjádřený v dílcích stupnice, abychom dostali hodnotu měřené veličiny.
2.7 Čtení na stupnicích U přístrojů s více rozsahy zpravidla nesouhlasí rozsah stupnice s rozsahem na voliči. Musíme tedy znát jejich vzájemný přepočet. Jestliže máme nastavený rozsah r, stupnice má n dílků a ručka ukazuje výchylku d, pak měřená veličina má hodnotu y. r (12) y = d = Kd . n 2,4 · 73 = 1,46 V. Číselně např. r = 2,4 V, n = 120, d = 73, y = 120 Podíl r/n je pro daný vztah konstantou K (pro přístroj s jedním rozsahem je pak konstantou přístroje) a udává kolik jednotek měřené veličiny připadá na jeden dílek stupnice. Prakticky však odečítáme bez tohoto výpočtu. Poměr mezi rozsahem a stupnicí je zpravidla celé číslo (nejčastěji 2, 5, 10), takže snadno odečteme hodnotu měřené veličiny přímo v příslušných jednotkách. U běžných přístrojů končí obvykle stupnice celým násobkem deseti (60, 100, 120). U magnetoelektrických přístrojů s usměrňovačem s více rozsahy bývají pro nižší rozsahy samostatné stupnice a až od určitého rozsahu platí stupnice společná. Správnou hodnotu měřené veličiny získáme jak správným přepočtem, tak přesným odečtem. Nejčastější chyba při odečítání je způsobena paralaxou. Dokonalejší přístroje jsou vybaveny stupnicí se zrcátkem. Potom odečítáme tak, aby se ručka kryla se svým obrazem v zrcátku, čímž je paralaktická chyba vyloučena. Měřená veličina je při daném rozsahu zatížena v rozmezí celé stupnice stejnou absolutní chybou, která je dána třídou přesnosti přístroje. Relativní chyba je nejmenší, je-li d = n. Toho dosahujeme přepínáním rozsahů. Přitom nesmíme zapomínat, že přepnutím rozsahu měníme vnitřní odpor přístroje, protože zařazujeme jiné předřadné odpory nebo bočníky.
Příklad: Máme změřit hodnotu 2 V na univerzálním přístroji DU 20, který má třídu přesnosti 1,5 pro střídavé veličiny. Přepneme-li ho na rozsah 3 V, pak 2 V změříme s relativní chybou ± 2,25 %, tj. s absolutní chybou ± 0,045 V. Při přepnutí rozsahu na 6 V je relativní chyba ± 4,5 % a na rozsahu 12 V již 9 %, tj. maximální chyba ± 0,18 V. Z toho vyplývá, že je vždy vhodné měřit tak, aby výchylka ručky byla pokud možno co největší. Potom i přesnost naměřené veličiny bude největší. Při měření mohou ovšem vzniknout i další chyby vlivem nesprávného zacházení s přístrojem. Nejčastěji to bývá chyba způsobená špatným odečítáním (paralaxou).
43
44
45
2.8 Izolační napětí Pro bezpečnou práci s přístrojem musí být konstrukce přístroje provedena tak, aby obsluha byla chráněna před nebezpečným dotykem a úrazem. Velikost zkušebního napětí, tj. napětí mezi měřicím systémem a kostrou přístroje, je odstupňována podle maximálního provozního napětí. Označení podle normy ČSN je pěticípá hvězdička s vepsanou číslicí. Příklad značení je uveden v tabulce 3. Tabulka č. 3 Zkušební a provozní napětí
Napětí (V) provozní zkušební do 40 40 až 650 650 až 1 500 1 500 až 3 000
Číslice uvnitř hvězdy
500 2 000 5 000 10 000
2 5 10
2.9 Vnitřní odpor přístroje Bývá udáván zejména u voltmetrů a představuje vlastní odpor měřidla. Je-li na stupnici údaj 1000 Ω/V, znamená to, že např. při rozsahu 120 V je v náhradním schématu tento voltmetr zakreslen jako odpor RV = 120·103 Ω. V případě, že by na stupnici měřidla bylo uvedeno 60 V ∼2000 Ω, značí to, že zapojený rozsah 60 V má vnitřní odpor 2000 Ω . Při rozsahu 120 V by byl vnitřní odpor tohoto měřidla 4000 Ω. Takto se např. vyznačuje vnitřní odpor napěťové cívky wattmetru. Příkon voltmetru se pak určí pro libovolný rozsah ze vztahu: PV =
U2 , RV
(13)
kde U je připojené napětí. Vnitřní odpor ampérmetru nebývá zpravidla na měřidle uveden a je nutno jej změřit.
3. ČÍSLICOVÉ MĚŘICÍ PŘÍSTROJE Číslicový způsob měření není žádnou novinkou. Například vážení pomocí závaží je číslicové měření, neboť vyvažování se provádí po kvantech, jimiž zde jsou nejmenší použitá závaží. Číslicovým měřením je též měření elektrickými kompenzátory a můstky, které se vyvažují přepínáním dekadicky odstupňovaných prvků, např. odporů. Elektroměry měřící práci elektrického proudu jsou také přístroje, které mají některé znaky číslicových přístrojů (číslicový údaj kombinovaný analogovým údajem na posledním, plynule se pohybujícím číselníku počítacího strojku). Názvu číslicový měřicí přístroj se však dnes používá pro elektronické samočinně pracující přístroje s číslicovým údajem.
3.1 Princip funkce Veličiny jako proud, napětí, odpor a řada dalších jsou typickými analogovými veličinami, neboť jejich hodnoty se mění plynule. Výchylka ukazatele analogových měřicích přístrojů se čte v číselných hodnotách, avšak tento převod analogového údaje na číslicový provádí po-
46
zorovatel, ne přístroj sám. Číslicové měřicí přístroje udávají měřenou veličinu přímo číselně. Při plynulých změnách měřené veličiny se však údaj mění nespojitě, po kvantech a číselný údaj je násobkem těchto základních kvant. Digitální zpracování vyžaduje informace v podobě jednotlivých bitů. Převedení analogových údajů na digitální nebylo zcela jednoduché. Funkci číslicového přístroje, jenž měří veličinu analogového charakteru, lze znázornit blokovým schématem podle obr. 5. Měřená analogová veličina X1 se porovnává (po případném převedení na jinou analogovou veličinu X2, je-li to pro X1, ( X2) měřicí kódovací výstupní funkci přístroje potřebné) v měčlen člen člen řicím členu s normálem a při tom se současně provádí kvantování, to je vyjádření výsledku porovnáním počtu měřicích řídící kvant. Signál vystupující z měřinormál člen cího členu se v kódovacím členu mění na tvar potřebný pro výstupní člen. Výstupním členem Obr. 5 Blokové schéma číslicového přístroje je zařízení pro viditelný číselný údaj naměřené hodnoty desetinným číslem, popř. zařízení k záznamu tiskem. Chod celého přístroje a časový sled jednotlivých operací je řízen řídicím členem. Jednodušší jsou číslicové měřicí přístroje, které měří veličiny sice analogové, avšak snadno stanovitelné sčítáním impulsů. Z elektrických veličin to je kmitočet, který je dán počtem kmitů za jednotku času a může být proto snadno měřen číslicově spočítáním kmitů za určitou dobu. Uspořádání a principy číslicových měřicích přístrojů jsou velmi rozmanité podle toho, jaká veličina se měří a jakého způsobu srovnání s normálem se používá, takže nelze pro ně udat všeobecně platné vztahy jako pro jednodušší analogové přístroje. Koncem 80. let nastal zásadní obrat v konstrukci digitálních přístrojů – podařilo se zhotovit analogově digitální převodník, označovaný jako A/D převodník. Například převodník AD2020 firmy Analog Devices s vysokou hustotou integrace a jednoduchým napájením pracoval na principu dvojí integrace. Potřeboval pouze doplnění dekodérem a třemi tranzistory pro multiplexní řízení displeje. Měřený údaj se zobrazoval na třech číslicovkách LED. Dalším zdokonalením byl A/D převodník firmy Intersil ICM 7107, vyrobený technologií CMOS. Používá se i dnes. Obsahuje všechny aktivní prvky třiapůlmístného digitálního voltmetru v jednom pouzdře, kde je i dekodér a budič pro sedmisegmentový displej LED, oscilátor hodinového signálu a zdroj referenčního napětí. S jeho výrobou výrazně klesly náklady na měřicí přístroje a to jak po stránce materiálové, tak práce. Přesnost měření byla vynikající. Pokrok rychle pokračoval. Současné přístroje se již značně liší od původních. Některé používají čtyřapůlmístný displej s mnohonásobně lepším rozlišením (10 až 25 x větším) než měly dřívější modely – rozlišují 10 µV. Zobrazený údaj odpovídá skutečné efektivní hodnotě a měří i různé nesinusové průběhy. Přesnost měření je vysoká: 0,025 % pro stejnosměrné rozsahy a stejně tak pro střídavé rozsahy s šíří pásma 100 kHz. Rozsahy se nemusejí přepínat, volí se automaticky. Nemusí se proto sledovat „přeplnění“ a včasné přepnutí na vyšší rozsah. Digitální měřicí přístroje umějí obvykle měřit více veličin, pak mluvíme o multimetrech. Kromě proudu a napětí dovedou měřit výkon na odporové zátěži, kapacitu, ohmický odpor, kmitočet, kladné i záporné pulsy, teplotu a přes nabídku MENU je možné vybrat řadu dalších funkcí. Běžnou součástí multimetrů současné generace je i bargraf, který kreslí na displeji křivku podle naměřených hodnot. 47
3.2 Základní parametry Ze základních pojmů, s nimiž jsme se seznámili při výkladu analogových měřicích přístrojů, jsou některé použitelné i u číslicových měřicích přístrojů. Měřicí rozsah má podobný význam jako u analogových přístrojů, nemá ovšem význam rozlišení měřicího rozsahu a rozsahu stupnice. Konstanta a citlivost přístroje nemá zde většinou žádný význam, neboť měřená veličina je zpravidla udávána číselně v příslušných jednotkách bez jakékoli přepočítací konstanty. Schopnost měřit časově proměnné veličiny se neudává dynamickými vlastnostmi jako u analogových přístrojů, nýbrž rychlostí měření (počtem měření za jednotku času). Přitom se musí rozlišovat, zda přístroj udává okamžitou hodnotu v okamžiku měření, nebo průměrnou hodnotu za určitý interval. Chyba údaje a chyba přístroje zde mají stejný význam jako u analogových přístrojů. Chyba však není definována třídou přesnosti jako u základních analogových měřicích přístrojů. Chyba se vyjadřuje jako součet chyby ± % z měřené hodnoty a stálé chyby ± % z rozsahu (někdy vyjádřeno jako ± počet jednotek posledního místa).
3.3 Porovnání vlastností číslicových a analogových měřicích přístrojů Číslicové měřicí přístroje mají mnoho výhod proti analogovým přístrojům, avšak mají i své nevýhody, takže nemohou vždy plně nahradit analogové přístroje. Hlavní výhody číslicových měřicích přístrojů jsou: 1. Velká přesnost čtení údaje, kterou lze bez omezení zvětšovat zvětšováním počtu míst číselného údaje. Výchylku ukazovatele analogového měřicího přístroje lze naproti tomu číst s přesností nejvýše asi 0,1 %, což odpovídá v desítkové soustavě třímístnému číslu (je-li první číslice 9) až čtyřmístnému číslu (je-li první číslice 1). Neomezená přesnost čtení údaje neznamená ovšem neomezenou přesnost měření - u číslicového přístroje je užitečný jen takový počet míst údaje, jaký odpovídá přesnosti tohoto přístroje. 2. Číselný údaj lze číst bez újmy na přesnosti i z větší vzdálenosti a při pohledu pod různými úhly. Přesné čtení údaje analogového přístroje naproti tomu vyžaduje určitou polohu oka pozorovatele a pozorování zblízka. 3. Na výstup číslicového měřicího přístroje lze snadno připojit zařízení pro záznam číselného údaje nebo zařízení pro zpracování a vyhodnocení výsledků měření (číslicový počítač). Číslicové údaje vyjádřené určitým kódem lze také snadno bez újmy na přesnosti přenášet i na větší vzdálenosti. 4. U lepších přístrojů je možné při měnící se hodnotě měřené veličiny si stiskem tlačítka podržet údaj odpovídající okamžiku stisku tlačítka. Hlavní nevýhody číslicových měřicích přístrojů jsou: 1. Číslicové měřicí přístroje jsou značně složitější než analogové přístroje. Následkem větší složitosti jsou tyto přístroje poměrně drahé a je u nich větší nebezpečí poruch a obtížnější dosažení dobré spolehlivosti. 2. Číslicové měřicí přístroje s více rozsahy mají zpravidla hrubé odstupňování měřicích rozsahů v poměru 1 : 10 : 100 atd. (změna rozsahu posunem desetinné čárky dekadického číselného údaje). Nevyhneme se proto nutnosti měřit hodnoty ležící v blízkosti 10 % měřicího rozsahu, kdy chyba údaje vztažená k měřené hodnotě může být až desetinásobkem zaručené chyby přístroje vztažené k měřicímu rozsahu. 3. Číslicové měřicí přístroje potřebují napájení ze zdrojů elektrické energie.
48
4. Číslicový údaj nedovolí pozorovateli rychlou orientaci, jde-li o sledování většího počtu přístrojů, a je zcela nečitelný při rychlejších změnách měřené veličiny. Při rychlém pohybu ukazovatele analogového přístroje může pozorovatel alespoň kvalitativně posoudit charakter děje v měřeném objektu, kdežto vícemístný číslicový údaj může být při rychlejších změnách sledován a zpracován jen samočinným zařízením (počítačem). U některých digitálních přístrojů je proto též orientační analogové vyhodnocení měřené hodnoty. Celkem lze říci, že číslicové měřicí přístroje mají hlavní význam jako součást samočinných měřicích zařízení s číslicovým zpracováním a vyhodnocováním výsledků. Pro měření prováděná pozorovatelem jsou vhodné jen tam, kde jde o přesnější měření konstantních, nebo jen pomalu se měnících veličin.
49
