Měření v elektrotechnice

POJENÍ PRO MĚŘENÍ SOUSTAVY VÝSTUPNÍCH CHARAKTERISTIK BIPOLÁRNÍHO
TRANZISTORU BOD PO BODU............................................................................................171
OBRÁZEK 13.3: ZAPOJENÍ PRO MĚŘENÍ CHARAKTERISTIKY KAPACITNÍ DIODY .......................172
OBRÁZEK 13.4: SNÍMÁNÍ CHARAKTERISTIK DIODY POMOCÍ SOUŘADNICOVÉHO ZAPISOVAČE 172
OBRÁZEK 13.5: ZAPOJENÍ PRO SNÍMÁNÍ CHARAKTERISTIKY DIODY OSCILOSKOPEM ..............172
OBRÁZEK 13.6: OSCILOSKOPICKÉ SNÍMÁNÍ SOUSTAVY VÝSTUPNÍCH CHARAKTERISTIK
TRANZISTORU MOSFET .................................................................................................173
OBRÁZEK 14.1: PRINCIP ZAPOJENÍ PRO MĚŘENÍ NEJDŮLEŽITĚJŠÍCH STATICKÝCH PARAMETRŮ
INTEGROVANÉHO ZESILOVAČE ........................................................................................174
OBRÁZEK 14.2: PRINCIP ZAPOJENÍ PRO MĚŘENÍ TRANZITNÍHO KMITOČTU INTEGROVANÉHO
ZESILOVAČE ....................................................................................................................175
OBRÁZEK 14.3: OSCILOSKOPICKÉ MĚŘENÍ PŘEPÍNACÍCH DOB U BIPOLÁRNÍHO TRANZISTORU176
OBRÁZEK 15.1: BLOKOVÉ SCHÉMA SKALÁRNÍHO ANALYZÁTORU OBVODŮ (SNÍMAČE
MODULOVÉ KMITOČTOVÉ CHARAKTERISTIKY) ................................................................177
OBRÁZEK 15.2: BLOKOVÉ SCHÉMA NÍZKOFREKVENČNÍHO ANALOGOVÉHO FÁZOROVÉHO
VOLTMETRU ....................................................................................................................178
OBRÁZEK 15.3: ZJEDNODUŠENÉ BLOKOVÉ SCHÉMA ČÍSLICOVÉHO FÁZOROVÉHO ANALYZÁTORU
OBVODŮ ..........................................................................................................................179
OBRÁZEK 16.1: BLOKOVÉ SCHÉMA STABILIZOVANÉHO ZDROJE STEJNOSMĚRNÉHO NAPĚTÍ S
LINEÁRNÍM STABILIZÁTOREM..........................................................................................180
OBRÁZEK 16.2: ZJEDNODUŠENÁ CHARAKTERISTIKA LABORATORNÍHO ZDROJE
STEJNOSMĚRNÉHO NAPĚTÍ ...............................................................................................181
OBRÁZEK 16.3: BLOKOVÉ SCHÉMA GENERÁTORU RC (LC) ..................................................182
OBRÁZEK 16.4: BLOKOVÉ SCHÉMA FUNKČNÍHO GENERÁTORU..............................................183
OBRÁZEK 16.5: PRINCIP PŘÍMÉ SYNTÉZY KMITOČTU .............................................................184
OBRÁZEK 16.6: PRINCIP NEPŘÍMÉ SYNTÉZY KMITOČTU .........................................................185
OBRÁZEK 16.7: BLOKOVÉ SCHÉMA JEDNODUŠŠÍHO IMPULSOVÉHO GENERÁTORU .................186
OBRÁZEK 16.8: ČASOVÝ DIAGRAM IMPULSOVÉHO GENERÁTORU ..........................................186
OBRÁZEK 16.9: BLOKOVÉ SCHÉMA GENERÁTORU OBECNÉHO PRŮBĚHU................................187
OBRÁZEK 16.10: SCHÉMA ZAPOJENÍ DIODOVÉHO ŠUMOVÉHO GENERÁTORU .........................188
OBRÁZEK 16.11: NÁSTIN VÝBOJKOVÉHO ŠUMOVÉHO GENERÁTORU VE VLNOVODOVÉM
PROVEDENÍ......................................................................................................................189
OBRÁZEK 16.12: BLOKOVÉ SCHÉMA ŠUMOVÉHO GENERÁTORU PRO NIŽŠÍ KMITOČTY ...........189
OBRÁZEK 16.13: PRINCIP ZAPOJENÍ GENERÁTORU PSEUDONÁHODNÉHO BINÁRNÍHO ŠUMU ..190
OBRÁZEK 16.14: VÝSTUPNÍ OBVOD GENERÁTORU S NESYMETRICKÝM VÝSTUPEM 50Ω........191
OBRÁZEK 17.1: BLOKOVÉ SCHÉMA AUTOMATIZOVANÉHO MĚŘICÍHO SYSTÉMU.....................192
OBRÁZEK 17.2: ROZDĚLENÍ MĚŘICÍCH A ŘÍDICÍCH SYSTÉMŮ.................................................192
OBRÁZEK 17.3: PROVEDENÍ SYSTÉMU VXI A JEHO ZÁSUVNÝCH MODULŮ.............................194
OBRÁZEK 17.4: ZPŮSOBY PŘIPOJENÍ VXI RÁMU K PC...........................................................195
OBRÁZEK 17.5: BLOKOVÉ SCHÉMA AUTOMATICKÉHO MĚŘICÍHO PRACOVIŠTĚ ......................195
Měření v elektrotechnice 11
OBRÁZEK 17.6: PROSTŘEDÍ PROGRAMU HP VEE ..................................................................198
OBRÁZEK 17.7: PŘÍKLAD PROGRAMU V LABVIEW ...............................................................199
OBRÁZEK 17.8: APLIKACE V LABVIEW................................................................................ 200
OBRÁZEK 18.1: VZÁJEMNÝ VZTAH MEZI MAGNETICKÝM A ELEKTRICKÝM POLEM................ 201
OBRÁZEK 18.2: PŘÍKLADY HYSTEREZNÍCH SMYČEK MAGNETICKÝCH MATERIÁLŮ ................ 202
OBRÁZEK 18.3: MĚŘENÍ MAGNETICKÉHO TOKU MĚŘICÍCÍVKOU.……………………………204
OBRÁZEK 18.4: PRINCIP HALLOVY SONDY ............................................................................ 205
OBRÁZEK 18.5: MĚŘIČ MAGNETICKÉHO POLE ...................................................................... 205
OBRÁZEK 18.6: PRINCIP FEROMAGNETICKÉ SONDY............................................................... 206
OBRÁZEK 18.7: PŘEVODNÍ CHARAKTERISTIKA FEROMAGNETICKÉ SONDY…………………..206
OBRÁZEK 18.8: ROGOWSKIHO – CHATTOCKŮV POTENCIOMETR............................................ 207
OBRÁZEK 18.9: K NUKLEÁRNÍ MAGNETICKÉ REZONANCI…………………………………...208
OBRÁZEK 18.10: PRINCIP MĚŘENÍ B
0
POMOCÍ NMR………………………………………...208
OBRÁZEK 18.11: MAGNETIZAČNÍ CHARAKTERISTIKY FEROMAGNETICKÉHO MATERIÁLU ..... 211
OBRÁZEK 18.12: MĚŘENÍ MAGNETIZAČNÍCH CHARAKTERISTIK FEROMAGNETIK NA
UZAVŘENÝCH VZORCÍCH ................................................................................................. 211
OBRÁZEK 18.13: INTEGRAČNÍ ZESILOVAČ…………………………………………………..212
OBRÁZEK 18.14: MĚŘENÍ MAGNETIZAČNÍCH CHARAKTERISTIK NA OTEVŘENÝCH VZORCÍCH
................................................................................................................................................ 213
OBRÁZEK 18.15: BLOKOVÉ SCHÉMA HYSTEREZIGRAFU ........................................................ 214
OBRÁZEK 18.16: BLOKOVÉ SCHÉMA KOERCIMETRU .............................................................. 215
OBRÁZEK 18.17: ZOBRAZENÍ HYSTEREZNÍ SMYČKY NA OSCILOSKOPU .................................. 216
OBRÁZEK 18.18: MĚŘENÍ ZTRÁT VE FEROMAGNETIKU EPSTEINOVÝM PŘÍSTROJEM .............. 217
OBRÁZEK 19.1: TURBÍNKOVÝ SNÍMAČ PRŮTOKU ................................................................... 219
OBRÁZEK 19.2: PLOVÁČKOVÝ SNÍMAČ PRŮTOKU .................................................................. 219
OBRÁZEK 19.3: LOPATKOVÝ SNÍMAČ PRŮTOKU..................................................................... 220
OBRÁZEK 19.4: PRINCIP VÍROVÉHO SNÍMAČE PRŮTOKU......................................................... 220
OBRÁZEK 19.5: PRINCIP ULTRAZVUKOVÉHO SNÍMAČE PRŮTOKU........................................... 220
OBRÁZEK 19.6: PRINCIP INDUKČNÍHO SNÍMAČE PRŮTOKU..................................................... 221
OBRÁZEK 19.7: PRINCIP PRŮŘEZOVÉHO SNÍMAČE PRŮTOKU.................................................. 221
OBRÁZEK 19.8: RYCHLOSTNÍ SNÍMAČ PRŮTOKU.................................................................... 221
OBRÁZEK 19.9: PRINCIP DÁVKOVACÍHO SNÍMAČE PRŮTOKU.................................................. 222
OBRÁZEK 19.10: PRINCIP DEFORMAČNÍHO SNÍMAČE PRŮTOKU.............................................. 222
OBRÁZEK 19.11: PRINCIP CORIOLISOVY SÍLY ........................................................................ 222
OBRÁZEK 19.12: PRŮTOKOMĚR VYUŽÍVAJÍCÍ CORIOLISOVY SÍLY.......................................... 223
OBRÁZEK 19.13: TEPELNÝ SNÍMAČ PRŮTOKU........................................................................ 223
OBRÁZEK 19.14: ODPOROVÉ SNÍMAČE TEPLOTY.................................................................... 225
OBRÁZEK 19.15: ZÁVISLOSTI ODPORU NA TEPLOTĚ U RŮZNÝCH ODPOROVÝCH SNÍMAČŮ ..... 225
OBRÁZEK 19.16: PROVEDENÍ A V-A CHARAKTERISTIKA NEGASTORU A POSISTORU .............. 226
OBRÁZEK 19.17: ZÁVISLOST CHARAKTERISTIKY B-E PŘECHODU NA TEPLOTĚ...................... 226
OBRÁZEK 19.18: SNÍMAČ TEPLOTY VYUŽÍVAJÍCÍ ZMĚNY NAPĚTÍ B-E NA TEPLOTĚ................ 227
OBRÁZEK 19.19: TERMOČLÁNEK........................................................................................... 227
OBRÁZEK 19.20: STATICKÉ CHARAKTERISTIKY TERMOČLÁNKŮ ............................................ 228
OBRÁZEK 19.21: PROVEDENÍ TERMOČLÁNKŮ........................................................................ 228
OBRÁZEK 19.22: PIEZOELEKTRICKÝ SNÍMAČ SIL ................................................................... 230
OBRÁZEK 19.23: PROVEDENÍ PIEZOELEKTRICKÉHO SNÍMAČE SÍLY ........................................ 231
OBRÁZEK 19.24: MAGNETOELASTICKÝ SNÍMAČ.................................................................... 231
OBRÁZEK 19.25: ANIZOTROPNÍ SNÍMAČ SÍLY ........................................................................ 232
OBRÁZEK 19.26: OPTICKÝ SNÍMAČ SÍLY ................................................................................ 232
OBRÁZEK 19.27: REZONANČNÍ A FOTOELASTICKÝ SNÍMAČ SÍLY.......................................... 232
12 FEKT Vysokého učení technického v Brně
OBRÁZEK 19.28: DEFORMAČNÍ PRVEK................................................................................... 233
OBRÁZEK 19.29: DEFORMAČNÍ PRVEK NA SMYK ................................................................... 233
OBRÁZEK 19.30: ODPOROVÝ SNÍMAČ POLOHY S POTENCIOMETREM...................................... 234
OBRÁZEK 19.31: PŘEVODNÍ CHARAKTERISTIKA ZATÍŽENÉHO POTENCIOMETRU .................... 234
OBRÁZEK 19.32: INDUKČNOSTNÍ SNÍMAČ POLOHY ................................................................ 235
OBRÁZEK 19.33: TENZOMETRY ............................................................................................. 236
OBRÁZEK 19.34: ZAPOJENÍ TENZOMETRŮ.............................................................................. 237
OBRÁZEK 19.35: ELEKTRODYNAMICKÝ A ELEKTROMAGNETICKÝ SNÍMAČ KMITŮ................. 238
OBRÁZEK 19.36: SNÍMAČ ÚHLOVÉ RYCHLOSTI ...................................................................... 238
OBRÁZEK 19.37: PRINCIP IMPULSNÍCH SNÍMAČŮ OTÁČEK...................................................... 239


Seznam tabulek
TABULKA 11.1: ROZSAHY A ÚBYTKY NAPĚTÍ PRO RŮZNÉ ZPŮSOBY MĚŘENÍ STEJNOSMĚRNÝCH
PROUDŮ...........................................................................................................................113
TABULKA 19.1: VLASTNOSTI MATERIÁLŮ PRO ODPOROVÉ SNÍMAČE TEPLOTY ................. 224

Měření v elektrotechnice 13
1 Úvod
Tento materiál slouží jako základní pomůcka pro studium kurzu Měření
v elektrotechnice. Vznikl spoluprací ústavů AMT a TEE, které se na výuce kurzu podílejí.
Rozsah skript je v některých partiích větší než odpovídá počtu hodin přednášek. Autoři
předpokládají, že budou studenty využity i k samostatnému studiu. Kapitolu 19 zpracoval
doc. Ing. L. Bejček, CSc., ostatní části doc. Ing. J.Rez, CSc. a Ing. M.Čejka, CSc. Za
připomínky k textu autoři děkují prof. Ing. Vladislavu Matyáši, CSc., dlouholetému
pracovníku ÚAMT.
2 Zařazení předmětu ve studijním programu
Skripta jsou určena pro studenty druhého ročníku bakalářského studijního programu ve
všech oborech studia na VUT – FEKT.
2.1 Úvod do předmětu
Předmět Měření v elektrotechnice je při studiu na fakultě prvním setkáním studentů s
touto problematikou. Proto je obsah skript i přednášek koncipován tak, aby studenti po
absolvování kurzu nabyli znalostí o základních měřicích přístrojích (analogových i
číslicových) a o základních měřicích metodách používaných v technické praxi. Kromě toho
bylo třeba do učební náplně zařadit nové pasáže plynoucí z rychlého rozvoje v oblasti měřicí
techniky v posledních letech. Jde především o oblast nových principů číslicových měřicích
přístrojů, etalonů, automatizovaných měřicích systémů a vyhodnocovacích postupů. To velmi
rozšiřuje nároky na rozsah probírané látky a tudíž i na textový objem skript. Při sestavování
jednotlivých kapitol a jejich struktury bylo přihlédnuto ke zkušenostem z obdobných kurzů,
které se již řadu let na fakultě vyučují.
Skripta neobsahují látku týkající se specializovaných měření v daném oboru, jako jsou
měření na elektrických strojích, ve vysokonapěťových energetických sítích, v oblasti
izolačních materiálů, v mikrovlnné a telekomunikační technice. Jen v malé části se zabýváme
metodami měření neelektrických veličin. Rovněž se zde nezabýváme dálkovým měřením. S
touto problematikou se studenti seznámí v následných letech studia vybrané specializace.
Jsme si vědomi toho, že rychlý rozvoj měřicí techniky může přinést v době vydání těchto
skript nové poznatky, které jsme nemohli postihnout. Budeme se o to snažit při inovačních
vydáních.
V současné době je dávána přednost číslicovým metodám měření elektrických i jiných
veličin. Pro jejich úspěšné zvládnutí je třeba pochopit i jistou návaznost na analogové metody.
Číslicové metody z hlediska uživatele mohou být na použití jednodušší, ale na pochopení
principu a metod naopak náročnější. I z tohoto důvodu je třeba pohlížet na ve skriptech
uváděné principy jako na jistý druh popisu algoritmu.
Připomeňme, že s měřením elektrických veličin se setkáváme i mimo elektrotechniku a
elektroniku. Příkladem může být měření elektrické aktivity lidského srdce či mozku. Navíc se
přístroje na měření elektrických veličin běžně používají i při měření veličin neelektrických.
To je umožněno tím, že se před přístroj měřící elektrickou veličinu předřadí vhodný snímač
14 FEKT Vysokého učení technického v Brně
(senzor) s případným doplňkovým obvodem, kterým se převede měřená veličina na
příslušnou elektrickou veličinu (např. napětí). Díky tomu elektronické přístroje pro měření
elektrických veličin nacházejí široké uplatnění v mnoha různých oblastech techniky a
přírodních věd.
Elektronická měřicí technika prošla při svém vývoji několika etapami podle
technologického zázemí. Vývoj elektronické měřicí techniky začal na počátku dvacátého
století. První generací přístrojů pro měřicí účely byly přístroje elektronkové. V polovině
dvacátého století začala éra tranzistorových přístrojů. Od 70-tých let se uplatňovaly přístroje s
integrovanými obvody, vývoj pak dospěl až k přístrojům s mikroprocesory popř.
mikropočítači a dalšími obvody s velkou hustotou integrace. Významnou součást elektronické
měřicí techniky tvoří automatické měřicí systémy usnadňující komplexní přístup k realizaci
měřicích úloh. V současné době je elektronická měřicí technika nepostradatelným
pomocníkem při četných pracích ve výzkumu, vývoji, výrobě, provozu, diagnostice i údržbě
různých objektů.
Převážná část obsahu přednášek kursu a tohoto skripta se zabývá principy zapojení,
funkcí, vlastnostmi a použitím klasických i elektronických přístrojů pro měření elektrických
veličin. Pod pojmem elektronický přístroj se zde rozumí přístroj, v němž jsou použity
elektronické součástky a obvody takovým způsobem, že určují jeho technické parametry.
Měření prováděné pomocí elektronických přístrojů se označuje termínem elektronické
měření. K důkladnému pochopení elektronické měřicí techniky je proto nezbytná alespoň
základní znalost elektrických a elektronických součástek a obvodů.
Z hlediska uživatele jsou vítány zejména měřicí přístroje s přímým údajem (přístroje s
bezprostředním údajem, přímo ukazující přístroje), protože jejich obsluha je omezena na za-
pojení a eventuálně na volbu měřicího rozsahu (není-li tato volba automatická). Takový
měřicí přístroj udává hodnotu měřené veličiny přímo (bezprostředně). V mnoha případech se
však měření realizuje jinak a je proto nezbytné znát další možnosti měření.
Přístroje používané v měřicí technice jsou analogové nebo číslicové. Za analogový se
označuje měřicí přístroj, jehož výstupní veličina (údaj) může spojitě nabývat nekonečně
mnoha hodnot v závislosti na hodnotách vstupní (měřené) veličiny; výstupní veličinou
analogového měřicího přístroje je nejčastěji výchylka ručky ukazovacího přístroje nebo
výchylka světelné stopy na stínítku obrazovky. Osoba měřící danou veličinu analogovým
měřicím přístrojem vyjádří její hodnotu v příslušných jednotkách na základě porovnání
polohy ručky nebo světelné stopy vyvolané měřenou veličinou s kalibrovanou stupnicí. Za
číslicový (digitální) se označuje měřicí přístroj, jehož výstupní veličina může v závislosti na
hodnotách vstupní veličiny nabývat jen nespojitě konečného počtu hodnot; číslicové měřicí
přístroje poskytují na svém výstupu data (číselné údaje) reprezentující hodnotu měřené
veličiny. Protože měřené veličiny jsou analogové, musí každý číslicový měřicí přístroj
obsahovat analogově číslicový převodník. Číslicové měřicí přístroje se začaly vyrábět a
používat od poloviny dvacátého století. Předností číslicových přístrojů je dobrá přesnost a
snazší používání, protože řada úkonů tvořících měřicí proces v nich probíhá automaticky.
Není proto divu, že číslicové přístroje vytlačují postupně přístroje analogové.
Měření prováděné analogovým měřicím přístrojem se označuje za analogové, měření
prováděné číslicovým měřicím přístrojem se označuje za číslicové (digitální). Pro uspořádání
obsahu bylo zvoleno uživatelské hledisko, konkrétně druh měřené veličiny. Protože mezi
elektrickými veličinami základní roli hrají aktivní elektrické veličiny, nejprve se pojednává o
přístrojích a metodách pro měření aktivních elektrických veličin a jejich vlastností. Potom se
probírají přístroje a metody pro měření pasivních elektrických veličin. Při probírání měření a
přístrojů pro měření jednotlivých veličin je nejprve pojednáno o měřeních a přístrojích
Měření v elektrotechnice 15
analogových a pak o měřeních a přístrojích číslicových. Další kategorii tvoří přístroje a
metody pro měření elektrických vlastností součástek, obvodů a soustav. Pozornost je krátce
věnována také generátorům elektrických měřicích signálů, bez nichž se neobejde měření
pasivních elektrických veličin a měření elektrických vlastností součástek, obvodů a soustav.
Stručně jsou zdůrazněny podmínky správného měření. Nakonec je připomenuta problematika
automatizace měření. Problematika měření na velmi vysokých kmitočtech není blíže
rozváděna, protože je jí věnován samostatný kurs zajišťovaný Ústavem radioelektroniky.
Pojetí přednášek věnovaných elektronické měřicí technice a tedy i pojetí tohoto skripta
vyplývá z jejich poslání. Kurs má studentům poskytnout ucelený základní přehled přes
klasickou i elektronickou měřicí techniku, jejíž rozsah je značný. Obsah je proto orientován
jen na nejrozšířenější přístroje a metody pro měření elektrických a částečně i neelektrických
veličin a jejich vlastností. Není možné při výkladu zacházet do podrobností ani teoretického
ani technologického rázu. Rovněž není možné probírat speciálnější druhy měření, jako jsou
některá měření v silnoproudé elektrotechnice, v elektrotechnologii, v telekomunikacích, v
televizní technice, v elektroakustice aj. S těmito speciálnějšími případy měření se studenti
setkají ve vyšších ročnících svého specializovaného studia. Po praktické stránce se studenti
seznámí s nejběžnější elektronickou měřicí technikou při laboratorních cvičeních.















16 FEKT Vysokého učení technického v Brně
3 Metrologie
Metrologie je vědní a technická disciplína, zabývající se všemi poznatky a činností měření. Je
základem jednotného a přesného měření ve všech oblastech lidské činnosti.
Metrologie se zabývá:
definováním jednotek měření,
realizací jednotek – etalonů,
návazností měření.
Metrologie se dělí na tři kategorie:
fundamentální metrologii - zabývá se soustavou měřicích jednotek a etalony,
průmyslovou metrologii - je zaměřena na obsluhu měřidel v průmyslu, zabezpečuje
jednotnost a správnost měření ve výrobě a zkušebnictví,
legální metrologii - zabezpečuje jednotnost a správnost měření tam, kde má
vliv na správnost obchodování, zdraví nebo bezpečnost,
zajišťuje právní úpravy.
3.1 Mezinárodní metrologické organizace
Metrická konvence je mezinárodní smlouva jejímž podpisem se v roce 1875 zavázali zástupci
20 vlád, že budou používat jednotné míry a váhy. V současné době má Metrická konvence 48
členů. Podpisem smlouvy