Skripta Měření v elektrotechnice - lab.cvičení II

oužití elektroniky v měřicích přístrojích, mění se jejich architektura a je možné
využít přístroje i pro dříve nerealizovatelná měření.
Vzhledem k tomu, že tento kurs je při studiu na fakultě ve druhém ročníku a bude tudíž
jedním z prvních praktických setkání studentů s elektronickými měřícími přístroji, je obsah
těchto návodů uzpůsoben tak, aby se studenti seznámili s funkcí, vlastnostmi, použitím
a obsluhou elektronických měřicích přístrojů. K tomuto cíli jsou zaměřena všechna
laboratorní cvičení. U všech návodů do měření je kromě úkolů, které by studenti během
laboratorního cvičení měli vypracovat, také stručný teoretický rozbor použité metody měření
nebo způsob práce měřicího přístroje. Dále je vždy uveden soupis použitých měřicích
přístrojů a podrobný popis postupu při měření. V závěrečných kapitolách práce je popsáno
ovládání používaných přístrojů v laboratořích měření na Ústavu automatizace a měřicí
techniky (je zde zobrazen hlavní panel a postup nastavování základních parametrů a způsoby
měření).
Je rovněž důležité, aby si studenti vypěstovali určité návyky, velmi potřebné při práci
v elektronické laboratoři, jako je např. účelné uspořádání pracoviště, zapojování měřicího
obvodu, obsluha přístrojů, dodržování zásad bezpečnosti, udržování pořádku a přehlednosti na
pracovišti, vedení záznamů z měření a vypracování protokolů. K tomu všemu by laboratorní
cvičení měla přispět.
Teoretické rozbory a některé použité obrázky ve skriptech vycházejí z literatury, jejíž
seznam je uveden v závěru skript.


8 FEKT Vysokého učení technického v Brně
2 Zařazení předmětu ve studijním programu
Skripta jsou určena pro studenty druhého ročníku bakalářského studijního programu ve
všech oborech na Fakultě elektrotechniky a komunikačních technologií VUT Brno.
2.1 Úvod do předmětu
Laboratorní cvičení z předmětu Měření v elektrotechnice vycházejí z látky probírané na
přednáškách. Hlavním úkolem cvičení je seznámit studenty se základními měřicími přístroji
(analogovými i číslicovými) a se základními měřicími metodami a to v praktickém provedení,
aby si osvojili práci s měřicími přístroji v laboratořích.
Návody do jednotlivých laboratorních cvičení mají v podstatě shodnou strukturu. Na
začátku každé hlavní kapitoly, která je věnována vždy jedné samostatné laboratorní úloze je
uveden cíl měření a seznam úkolů, které by měli studenti ve cvičení zpracovat. Dále následuje
část věnovaná teoretickému rozboru dané problematiky, kde jsou krátce zmíněny teoretické
základy daného problému, použité měřicí metody a principy použitých měřicích přístrojů,
jakož i odkazy na přednáškové skripta a další literaturu, kde je možno se detailněji seznámit
s danou problematikou. V další části je uveden detailní postup měření, kterým by se studenti
měli řídit, aby úlohu byli schopni správně zapojit a změřit požadované úkoly. Součástí těchto
pokynů je i detailní popis obsluhy konkrétních měřících přístrojů, které jsou použity v úloze.
Studenti zde najdou i informace, jak vést záznam z měření a jak zpracovat naměřené hodnoty,
aby byly splněny požadavky zadání.
Tyto návody by neměly nahrazovat přednášková skripta, proto je teoretická část
uvedena jen krátce s cílem zavést studenty rychleji do problematiky každého laboratorního
cvičení.
Důraz je kladen na praktickou stránku, a proto jsou v přílohách uvedeny detailně popisy
přístrojové desky měřicího přístroje, ovládání přístroje, volby menu přístrojů atd. Samozřejmě
se jedná pouze o základní práci s přístrojem, kterou studenti potřebují zvládnout, aby mohli
přístroj obsluhovat. Podrobný popis ovládání přístrojů i detailním popisem menu nebo dalších
funkcí najdou studenti v manuálech k daným přístrojům (firemní literatura), které jsou
k dispozici v laboratořích.
2.2 Vstupní test
1. Co to je chyba měření? Jaké chyby měření znáte? Jak se vypočte absolutní
a relativní chyba měření?
2. Co je to kondenzátor a jak je definována kapacita kondenzátoru?
3. Co to je indukčnost?
4. Jak se vypočte indukčnost solenoidu?
5. Co to je ideální zdroj napětí? Jaký je rozdíl mezi reálným a ideálním zdrojem
napětí?
Měření v elektrotechnice - laboratorní cvičení II. 9
3 Protokol o měření – náležitosti
Součástí každého laboratorního cvičení je vedení záznamu o měření. Záznam o měření
je možné zpracovávat do pracovního sešitu. Tři základní části záznamu jsou:
• příprava pro dané laboratorní cvičení, kterou je student povinen vypracovat
před vlastním měřením a která je kontrolována na začátku laboratorního cvičení,
• naměřené hodnoty, které zapisuje student přímo do záznamu z měření a při
vypracování již tyto údaje nepřepisuje,
• zpracování naměřených hodnot (výpočty, grafy, zhodnocení laboratorní
úlohy).


Základní body záznamu o laboratorním cvičení:
1. Datum měření
2. Číslo, název laboratorní práce a zadané úkoly
3. Základní teoretický rozbor, princip měřicích metod, popř. přístrojů
4. Seznam použitých přístrojů a přípravků. U měřicích přístrojů uvést typové označení
a výrobní čísla, která jsou na jednotlivých pracovištích sepsána na zvláštním papíře,
aby studenti nemuseli složitě výrobní čísla na přístrojích hledat.
5. Schéma zapojení úlohy (pokud je schéma zapojení složitější a je ho potřeba)
6. Postup měření
7. Naměřené hodnoty zapsané v tabulkách včetně grafického zpracování výsledků
měření
8. Potřebné výpočty
9. Zhodnocení měření

V tabulkách naměřených hodnot je nutno zaznamenat, kterým přístrojem bylo těchto
hodnot dosaženo. Je samozřejmě nutné uvádět, v jakých jednotkách jsou veličiny měřeny.
Grafické zpracování výsledků měření je nutno provést vždy, když výsledkem měření je
funkční závislost. Optimální je pořizovat během měření orientační graf, který odhalí, zda
nedošlo k neočekávané odchylce, či zda není potřeba zvýšit v některé měřené oblasti hustotu
měřených bodů. Grafy musí odpovídat daným zvyklostem a předepsané úpravě. Každý graf
vyjmutý ze zprávy o měření musí být po informativní stránce zcela soběstačný, tzn. musí být
opatřen výstižným názvem (obvykle shodným s názvem tabulky), osy grafu je potřeba popsat
a v případě zakreslení více průběhů do jednoho grafu, je potřeba průběhy vhodným způsobem
označit.
Zhodnocení měření by nemělo být formální, student zde může zhodnotit průběh
a výsledky měření, vhodnost různých metod, rozsah použitelnosti měřených přístrojů,
10 FEKT Vysokého učení technického v Brně
možnosti zlepšení, popřípadě i závady, které se během měření vyskytly nebo provést srovnání
naměřených hodnot s údaji výrobce pokud jsou k dispozici.
Po ukončení laboratorního cvičení předloží student své záznamy z měření ke kontrole
dohlížejícímu pedagogickému pracovníkovi, který z důvodů evidence opatří záznam z měření
razítkem ústavu s datem účasti na laboratorním cvičení.
Během semestru odevzdá student dva vzorové protokoly – jeden z laboratorních úloh
prováděných na Ústavu automatizace a měřicí techniky a druhý z laboratorních úloh
měřených na Ústavu teoretické a experimentální elektrotechniky.
Měření v elektrotechnice - laboratorní cvičení II. 11
4 Laboratorní cvičení č. 1 – Stejnosměrné a střídavé
voltmetry
Cíle kapitoly:
Cílem laboratorního cvičení s názvem Stejnosměrné a střídavé voltmetry je seznámit
studenty se základními vlastnosti voltmetrů a s prací s nimi.
4.1 Úkoly
1. Změřit vstupní odpor multimetru METEX M-3850 na rozsahu 40V DC.
2. Změřit nelinearitu stupnice multimetru METEX M-3850 na rozsahu 4V DC
(referenční multimetr HP) a stanovit korekční křivku, absolutní a relativní chyby.
3. Změřit frekvenční charakteristiku multimetru METEX M-3850 v rozsahu frekvencí
100Hz - 3000Hz a frekvenční charakteristiku vf. střídavého voltmetru BM579
v rozsahu frekvencí 1MHz - 10MHz.
4. Změřit efektivní hodnoty harmonického/neharmonického signálu (detailní popis
signálů je popsán v postupu měření) pomocí multimetrů HP 34401A, METEX M-
3850 a vf. voltmetru TESLA BM 579.
4.2 Teoretický rozbor
Měření napětí patří k nejčastějším měřením aktivních elektrických veličin a v mnohých
případech se na měření napětí převádějí i měření jiných elektrických i neelektrických veličin.
Voltmetrem se označuje v širším slova smyslu přístroj na měření napětí. Klasifikace
voltmetrů je možno provést podle několika kritérií:
a) podle způsobu měření : analogové
číslicové (digitální)
b) podle druhu měřeného napětí : stejnosměrné
střídavé
impulsní
c) podle citlivosti : voltmetry
milivoltmetry
mikrovoltmetry
nanovoltmetry
d) podle kmitočtové oblasti (střídavé voltmetry) : nízkofrekvenční
vysokofrekvenční
širokopásmové
selektivní (úzkopásmové)

12 FEKT Vysokého učení technického v Brně
4.2.1 Měření stejnosměrného napětí
Pro měření stejnosměrného napětí lze použít následující typy stejnosměrných voltmetrů:
Stejnosměrné analogové voltmetry
Měřené napětí ukazuje ručkové měřidlo zpravidla s magnetoelektrickým ústrojím.
Požadované vlastnosti celého přístroje zajišťuje elektronická část předřazená
magnetoelektrickému ústrojí přístroje, která zvyšuje vstupní odpor přístroje a rovněž zlepšuje
citlivost přístroje.
U
x
+
-
+U
cc
-
R
1
R
2
R
E1
T
1
R
c
R
5
T
2
mA
R
E2
R
3
R
4

Obrázek 1: Můstkové zapojení stejnosměrného elektronického voltmetru

Elektronickou část těchto voltmetrů (s malou citlivostí asi 1 V) tvoří mostové zapojení
se dvěma tranzistory viz Obrázek 1. Zapojení s bipolárními tranzistory umožňuje dostatečně
velkou citlivost, ale nevýhodou je závislost vstupního odporu na měřícím rozsahu. Zapojení
s unipolárními tranzistory má vstupní odpor konstantní, a to nejméně 1 MΩ.
Běžné ss analogové voltmetry umožňují měření do stovek voltů, má-li se měřit napětí
vyšší, předřadí se před vstup voltmetru vysokonapěťová sonda obsahující rezistor, jehož
odpor spolu se vstupním odporem samotného voltmetru vytvoří dělič napětí.

Stejnosměrné analogové milivoltmetry
Vyšší citlivosti se u analogových přístrojů pro měření ss napětí (voltmetrů) dosahuje
zesílením měřeného napětí (řádově 1000). K realizaci tohoto zesílení jsou vhodné integrované
operační zesilovače. Pokud se žádá kromě dobré citlivosti i velký vstupní odpor, musí mít
operační zesilovače na vstupu tranzistory řízené elektrickým polem. V současné době mají
operační zesilovače takový obvod již zabudován ve společném pouzdru. Tyto operační
zesilovače mají poněkud horší stálost nuly (drift), dá se však s nimi sestrojit stejnosměrný
analogový milivoltmetr se vstupním odporem i větším než 1 TΩ (s tzv. elektrometrickým
vstupem). Vstupní odpor lze také zvětšit zápornou zpětnou vazbou.

Stejnosměrné elektronické mikrovoltmetry
Měřené napětí se zesiluje nepřímo. Stejnosměrné analogové mikrovoltmetry používají
k zesílení měřeného napětí modulační techniku, neboť nestálost nuly (drift) u stejnosměrných
zesilovačů by porušovala správnost údaje, popř. by měření zcela znemožnila. Tyto ss
elektronické voltmetry s modulátorem jsou založeny na principu přeměny stejnosměrného
napětí na střídavé napětí. Blokové schéma zapojení stejnosměrného mikrovoltmetru je viz
Obrázek 2. Stejnosměrné napětí se nejprve převede na střídavé napětí úměrné velikosti, to se
Měření v elektrotechnice - laboratorní cvičení II. 13
zesílí a po zesílení se usměrní. Přístroj obsahuje přepínatelný dělič napětí pro volbu dílčích
rozsahů a na konci je opět ručkový přístroj. Pro zlepšení linearity a stálosti se v zapojení
používá stejnosměrná záporná zpětná vazba. K přeměně malého stejnosměrného napětí na
malé střídavé napětí dochází v tzv. nízkofrekvenčním modulátoru za pomoci nosného
střídavého napětí. Používají se nízkofrekvenční modulátory několika druhů. Více informací
lze najít v přednáškových skriptech [1].

SS měřicí
přístroj
Stejnosměrný
zesilovač
Řízený
usměrňovač
Střídavý
zesilovač
Přepínatelný
zesilovač
Nf amplitudový
modulátor
Generátor
střídavého
napětí
Přepínatelný
zeslabovač

Obrázek 2: Blokové schéma stejnosměrného mikrovoltmetru

Stejnosměrné číslicové voltmetry
Elektronické voltmetry patří mezi nejčastěji používané elektronické měřicí přístroje.
Používají se buď jako samostatné přístroje nebo bývají součástí různých přístrojů a zařízení
pro měření elektrických nebo neelektrických veličin (např. mikrovoltmetr - pikoampérmetr,
osciloskop s multimetrem, RLCG most – voltmetr, čítač –voltmetr, apod.).
Stejnosměrné číslicové voltmetry jsou obvykle vybaveny obvody pro měření střídavého
napětí, stejnosměrného a střídavého proudu a obvody pro měření odporů, odtud i název
multimetry.
Základem číslicových multimetrů je převodník A/Č (analog/číslo) umožňující měřit
stejnosměrné napětí. Další veličiny jako např. proud, odpor, střídavé hodnoty napětí a proudu
lze měřit pomocí funkčních převodníků.
Z konstrukčního hlediska bývají číslicové (digitální) multimetry rozděleny na dvě části.
Plovoucí část obsahuje analogové vstupní obvody, je obvykle stíněná a napájená z galvanicky
oddělených zdrojů. Neplovoucí část obsahuje číslicové obvody pro zpracování a zobrazení
naměřené hodnoty. Obě části jsou spolu navzájem spojeny buď optoelektrickými vazebními
členy nebo transformátory.
Blokové schéma multimetru je znázorněno viz Obrázek 3.
Stejnosměrné napětí přivedené na vstup V, Ω (napětí, odpor) se po úpravě velikosti
děličem napětí DN měří přímo, ostatní veličiny se převádějí na ss napětí příslušnými
převodníky. Číslicové měření ss napětí po předchozím zesílení v zesilovači Z zajišťuje
převodník PNČ napětí na číslo (A/Č převodník). Filtr F zařazený před A/Č převodník se
používá při měření ss napětí pro potlačení střídavého rušivého napětí. Pro měření střídavých
napětí je voltmetr (multimetr) vybaven měřícím usměrňovačem MU, který ve spojení
s převodníkem PPN proudu na napětí umožňuje rovněž měření střídavého proudu. Pro měření
14 FEKT Vysokého učení technického v Brně
odporů je číslicový voltmetr doplněn převodníkem PON odporu na napětí. Spolu s uvedenými
obvody je v plovoucí části multimetru umístěna ještě řídící jednotka ŘJ, která nastavuje
funkci přístroje (tj. druh měřené veličiny), přepíná dílčí rozsahy, řídí analogově číslicový
převod a zobrazení výsledku nebo jeho předání do systémové sběrnice.


Obrázek 3: Blokové schéma multimetru

Plovoucí část přístroje zajišťuje galvanické oddělení vstupních a výstupních obvodů
pomocí přenosových členů PČ realizovaných nejčastěji vazebními transformátory nebo
optoelektricky. Pro uchování výsledku měření slouží paměť údaje PÚ a pro jeho zobrazení
zobrazovací jednotka ZJ. Stykové obvody SO umožňují zařazení číslicového multimetru do
měřícího systému a prostřednictvím řídící jednotky dovolují dálkově řídit jeho funkci.
Má-li číslicový voltmetr mít vyšší citlivost, musí být uspořádán tak, aby co nejméně
reagoval na rušivá napětí. Průniku souhlasného rušivého napětí na vstup voltmetru se
nejúčinněji brání tím, že se voltmetr opatří plovoucím vstupem a stíněním.
Po konstrukční stránce se obvody voltmetru rozdělí na plovoucí a neplovoucí část.
Plovoucí část obsahující analogové obvody má vstup na svorkách H (high) a L (low) a je
uzavřena ve stínění vyvedeném na svorku G (guard), které je galvanicky odděleno od skříně
celého voltmetru. Neplovoucí část obsahující číslicové obvody je naopak galvanicky oddělena
od vstupních svorek. Nezbytný přenos signálů mezi oběma částmi zprostředkovává
transformátorová nebo optická vazba. Kvalitní voltmetry dosahují činitele potlačení
souhlasného rušivého napětí i přes 140 dB. Svorky H, L, G se využívají v trojvodičovém
připojení měřeného napětí, při dvouvodičovém připojení jsou svorky L a G spolu spojeny.

4.2.1.1 Základní parametry číslicových voltmetrů (multimetrů)
Počet míst zobrazovací jednotky – minimální hodnotou je 3 ½ resp. 3 3/4, kdy
maximálně zobrazitelný údaj je 1999 resp. 3999 s libovolným umístěním desetinné čárky.
Nejdokonalejší přístroje pak mívají počet míst zobrazovací jednotky 8 ½. V poslední době se
stále častěji objevují digitální měřící přístroje s analogovým zobrazovačem, který umožňuje
pohodlnější naladění např. minima nebo maxima.
Rozlišovací schopnost – je minimální změna měřeného napětí, která způsobí změnu
údaje o hodnotu 1 na posledním místě zobrazovací jednotky LSD (least signifikant digit) na
Měření v elektrotechnice - laboratorní cvičení II. 15
nejnižším rozsahu přístroje. Tato hodnota bývá u běžných multimetrů řádově 100 µV a až
10 nV u nejlepších přístrojů.
Maximální měřené napětí – obvyklé jsou hodnoty 1000 V stejnosměrného napětí
a 750 V efektivní hodnoty střídavého napětí. Rozsahy se většinou volí automaticky, některé
přístroje umožňují automatickou i manuální volbu rozsahů přístroje.
Odolnost proti rušení – rušení se obvykle rozděluje do dvou základních skupin na
sériové a souhlasné. Obecně platí, že číslicové voltmetry vybavené integračními převodníky
většinou dobře potlačují tato rušení.
Vstupní odpor – vstupní odpor většiny číslicových voltmetrů bývá konstantní, obvyklá
je hodnota 10 MΩ na všech rozsazích, některé typy přístrojů mají pro nižší napěťové rozsahy
vyšší vstupní odpor než na rozsazích vyšších.
Typ použitého A/D převodníku – vlastní převodník určuje parametry celého voltmetru
(přesnost, rychlost, odolnost proti rušení). Dnes nejčastěji používané převodníky jsou s dvojí
nebo trojí integrací (přesné a pomalé) a kompenzační převodníky s postupnou aproximací
(rychlé).
Kmitočtový rozsah – tento parametr má význam u číslicových voltmetrů určených pro
měření střídavých veličin, horní mezní frekvence dnešních multimetrů bývá v rozmezí
100 kHz až 1 MHz pro zaručované hodnoty chyb.
Začlenění do měřícího systému – pro připojení přístroje do měřícího systému se
používá několika standardů, nejznámější je sběrnice IMS-2 (GPIB, HP-IB, IEEE-488,
IEC 625.1). V poslední době se uplatňuje sériové rozhraní RS-232, tyto přístroje pak
umožňují sběr dat, sledování a zpracování údajů z většího počtu měřících míst pomocí PC.
Další kritéria výběru – při měření na střídavých rozsazích je rovněž důležité vědět,
jakým způsobem pracuje převodník střídavého napětí na stejnosměrné (AC, DC). Jednodušší
přístroje měřenou veličinu pouze usměrní a střední hodnotu přepočítají na hodnotu efektivní
(tento údaj platí ale pouze pro sinusový průběh). Dokonalejší multimetry měří skutečnou
efektivní hodnotu bez ohledu na průběh měřeného napětí a bývají označeny True RMS nebo
TRMS (True Root Mean Square).
Z praktického hlediska je rovněž důležité znát, jak je multimetr vybaven ochranami
proti přetížení a nesprávnému použití.
Více informací o stejnosměrných číslicových voltmetrech nalezne student
v přednáškových skriptech [1].

4.2.1.2 Základní schémata zapojení měřícího obvodu


Obrázek 4: Třívodičové zapojení
16 FEKT Vysokého učení technického v Brně
Toto zapojení (viz Obrázek 4) se vyznačuje vyšším činitelem potlačení souhlasného
stejnosměrného i střídavého napětí než dvouvodičové zapojení. Zdroj souhlasného napětí U
s

může obsahovat stejnosměrnou i střídavou složku.
Pro omezení sériového rušení střídavým napětím způsobeným zejména střídavým
vnějším magnetickým polem se doporučuje všechny t