online kép - Fájl  tubefájl feltöltés file feltöltés - adja hozzá a fájlokat onlinefedezze fel a legújabb online dokumentumokKapcsolat
  
 

Letöltheto dokumentumok, programok, törvények, tervezetek, javaslatok, egyéb hasznos információk, receptek - Fájl kiterjesztések - fajltube.com

Online dokumentumok - kep
  

FESZÜLTSÉGEK MÉRÉSE

fizikai



felso sarok

egyéb tételek

jobb felso sarok
 
KELL-E FÉLNÜNK A NUKLEÁRIS ENERGIÁTÓL?
S7 300/400 időzítők és szamlalók
EGY OPTIMISTA MEGOLDÁS
A LÁTÁST IS TANULNI KELL
TESLA ÉLETE
A LEGFONTOSABB FOGALMAK
FORGÓ TÖLTÉSEK HATÁSA AZ ÉLŐVILÁGBAN
A NOETHER-TÉTEL MEGFORDÍTÁSÁNAK GYAKORLATI KÖVETKEZMÉNYE
NIELS ABEL ÉLETE
Feszültséggenerator. Áramgenerator
 
bal also sarok   jobb also sarok

Feszültségek mérése

Analóg feszültségmérő műszerek

Deprez műszer, X-t  író, X-Y író. Átlagoló regisztráló, magnószalag

Oszcilloszkóp:

katódsugárcső (gyors, hosszú utánvilágítás, tárolás)

jelcsatorna (bemenet: AC-DC-GND, aszim­metrikus, differencia, chopped üzemmód

időalap (pl kettős)

triggerelési mód (normál, egyes, automata) triggerforrás: (külső, jel) triggerszint (DC, AC, logikai él, hálózat)

analizálás: vizuálisan, dokumentálás fény­képpel (polaroid)

digitális oszcilloszkóp - (tranziens rekorder) kiolvasható, poszttrigger, jel eleje, hazárd analízis


Digitalizálás alapfogalmai: kódolás, pontosság

Kódolás:

Bináris: kettes számrendszer, hexadecimális számrendszer

szöveges információra: ASCII, kódlapok

számokra: BCD, bináris (hexadecimális), Gray kód (pl. szögmérésre)

offset bináris, és kettes komplemens ábrázolás - számábrázolás (word, integer, floating)

hibafelismerés: modulo (pl. parity bit)

Pontosság:

Felbontás (resolution [bit]): a legkisebb kijelezhető rész (12 bit: 1/4096; 3 1/2 digit: 1/1999 vagy 1/(2*1999), LSB, MSB, csonkítás

Érzékenység (sensitivity [V]): a legkisebb érzékelhető változás (=legkisebb méréshatár/felbontás). Példák: 3 1/2 digit, 2V-os méréshatárnál: 1 mV; 16 bit (65536), 2V-os méréshatárnál: 30 mV; 8 1/2 digit, 200mV-os méréshatárnál: 1 nV;

Valódiság (abszolút pontosság)[1]: valamilyen abszolút (feszültség)standardhoz képest

Precizitás (relatív pontosság): valamilyen belső standardhoz képest (amikor csak valamilyen változás a lényeges)

Reprodukálhatóság: (megismételhetőség) - valamely konstans érték mérésekor a mért érték eloszlásának félértékszélessége.

Szisztematikus és statisztikus hiba illusztrációja:


Felbontás Pontosság Reprodukálhatóság

jó jó jó

jó rossz jó

rossz rossz jó

rossz rossz rossz



Linearitás: eltérés a lineáris analóg - digitális összefüggéstől. Jellemzés pl. <1/2 LSB. Példa: rossz DAC.

Konverziós idő: tipikus 1ms-1 ms.


AD konverzió áramkörei

Segédáramkörök: SH, számláló

Mintavevő tartó (sample and hold, S&H)

 

Fel-le számláló (reverzibilis számlánc)


 


Alapegység: olyan billenőkör, amely valamelyik élre billen át - így a bemenetre adott négyszög­sorozat frekvenciáját felezi.


 A kimeneten a bemenet frekvenciája leosztva jelenik meg

Tipikus AD konverter áramkörök

1. Ellenállásláncon direkt komparációs
eljárás (flash ADC):


2. Fokozatos megközelítés (Successive
approx­imation ADC):

3. Számlánc-követés (tracking ADC)




4. Kettős integrálás (dual slope ADC)



Működése:


1. lépés: Ux mérése tref ideig (addig, hogy a számláló tulcsorduljon - ismét 0)

2. lépés: Uref mérése tx ideig (addig, hogy a komparátor ismét 0-t mérjen)

Ekkor tx=Ux/Uref*tref.



Digitális feszültségmérő műszerek

Bemenet általában földfüggetlen (1 Mohm) HI LO bemenetek, instrumentációs erősítő, megadott U(HI-LO)max és U(LO-GND)max

DVM (DC U mérés); DMM (UIR, DC,AC mérés); 1 - 1000 MOhm bemenő ellenállás, elektrométer: 10 -100 TOhm

Számítógépbe helyezett AD-DA kártyák - virtuális műszerek.

Feszültségmérők pontosságának megadása: = erősítési hiba (gain error) + nullponthiba (offset error) és/vagy leolvasás hibája (%) + méréshatár hibája (%) Például egy 4 1/2 digites DVM leolvasási hibája 0.005% ( 0.0001), ha a 2 V-os méréshatár hibája 0.01%, akkor egy pontosan 1.0000 V-os feszültséget a DVM (0.0001+ 1*0.0001) =0.0002 bizonytalansággal méri meg.

Mintavételi idő (sampling rate): Mintavételi idő> konverziós idő. Shannon-Nyquist-féle mintavételi törvény: a mintavétel frekven­ciája legalább duplája legyen a jelben lévő legnagyobb frekvenciáju komponens frek­ven­ciájának (aliasing error, anti-aliasing filtering)

Feszültségmérők kalibrálása: Gyakran ellen­őrizni, szükség esetén beállítani.


AC feszültségek mérése

Váltakozó feszültségek jellemzése

: Uo: amplitudó, 2Uo:: p-p amplitude.  Uo mérése: csúcsmérő

effektív érték, (RMS):

abszolút érték átlaga,  mérése egyszerű, olcsó

Uo, , Ueff  különböző értékű és jelalakfüggő, pl. szinuszosra jelre ; ; négyszögjelre


Effektív érték (RMS) mérése

a. analóg megoldás

b.     digitális megoldás: digitalizálás, négyzetelés, összegzés (alapharmonikus periódusidejéig), gyökvonás


Feszültségmérés hibaforrásai

1. Kontaktusellenállás hatása

Példa: ellenállásmérés:


2. Nagy forrásimpedancia (ellenállás) hatása

DC eset - ellenállásosztó, kontrollálható

AC eset - lassú felfutási idő (szórt kapacitás lecsökkentendő előerősítővel vagy aktív árnyékolással)


3. Hőmérsékletkülönbségek hatása

Nem azonos hőmérsékletű kontaktusok termopárt képeznek (mV nagyságrendű hiba)


4. Földhurok hatása


Ha mind a jelforrás, mind a mérőberendezés földelt (aszimmetrikus) bemenetű, a földelési pontok közötti (kicsiny) U1- U2 potenciálkülönbség hatásá­ra az összekötő földelővezetéken áram folyik, ez hibafeszültséget okoz.

A hiba elkerülése: a mérőrendszerből lehetőleg csak egy elemet földeljünk, pl. földelt jelforrások feszültségét lebegő (nem földelt, szimmetrikus) bemenetű mérőberen­dezéssel mérjük. Ha egynél több földelt eszközünk van összekapcsolva, akkor mindegyiket azonos ponthoz földeljük (pl. közös hosszabbítós csatlakozót használva minimalizáljuk a földhurkok nagyságát).


Jel-zaj viszony javítása

Zajcsökkentés

A. Árnyékolás

Faraday-kalitka (belülre elektromos tér nem tud behatolni; elektromos tér eredetű zajokat rézzel, mágneses eredetűeket vassal)

Az árnyékolást jól definiált potenciálu ponthoz kell kapcsolni (legtöbbször földhöz)

Földelt illetve védett kábelek (guard), ábra, felfutási idő szerep

Nagy ellenállású jelforrás esetén az árnyékolás mint egy RC aluláteresztő szűrő működik, "lassít". Megoldás: rövid összeköttetés (a mérendő jelfor­rásra ráépített előerősítő).


Aktív árnyékolás: a feszültségkövető az árnyékolást állandóan a mérendő feszültséggel azonos potenciálon tartja; (olyan, mintha az árnyékolás kapacitása zérus lenne). Az A pontnál az árnyékolást nem szabad semmihez se csatlakoztatni.


B. Mágneses eredetű zajok



Motorok, generátorok váltakozó mágneses teret hoznak létre, ezek a fix vezető hurkokban áramot indukálnak. Sztatikus mágneses térben változó felületű áramvezető hurkokban is áram indukálódik. Ezen áram minimalizálása végett:

motorokat, generátorokat - lehetőség szerint - érzékeny mérés környékén ne üzemeltessünk;

a vezető hurkok felületét minimalizáljuk pl. csavart érpárú vezeték alkalmazásával;

a vezetékeket célszerű mágnesesen árnyékolni (vas) és fixen (pl. rezgésmentesre) szerelni.


C.    Földhurok: megszüntetendők

D.   Periódusidőnyi átlagolás 20 ms átlagolással



Hálózati 50Hz-es eredetű zajokat legjobban a 20 ms-os átlagolással csökkenthetjük le. Ugyanis, ; emiatt általában a periódusidő egész számu többszöröséig cészerű integrálni (példák: 100 ms, 220ms, Windows alatt futó programok-megszakítások hatásai).


Jelátlagolás

Analóg AC jeleknél: szinkron egyenirányítás, lock-ines méréstechnika

Repetitív, zajos jelek átlagolása: Ezek digitálizálva az X[k] tömbbe kerülnek, melyeket az Y[k] tömbben átlagolunk. A műveletet pascal nyelven az alábbi procedúra fejezi ki:


for k:=1 to Npoints do Y[k]:=0;             

for i:=1 to Ntransients do begin

repeat until Trigger;

for k:=1 to Npoints do begin

X[k]:=ResultsOfADConversion;

Y[k]:=Y[k]+X[k];

end;

end;

for k:=1 to Npoints do Y[k]:=Y[k]/Ntransients;                       


Ha a repetitív X[k]= T[k]+ Z[k], azaz a jel a tényleges T[k] tranziens és a Z[k] zaj összege, akkor, feltéve hogy hogy Z[k] időbeli átlaga zérus, átlagolással Y[k] T[k].

Megjegyzések:

1. Célszerű a fenti algoritmust kicsit átrendezni oly módon, hogy Y[k] mindenkor az addigi jelek átlagát mutassa, tehát a normálást már az összegzésbe beépítjük. Ekkor az összegző sor Y[k]:=Y[k]+X[k]/Ntransients alaku, az utolsó, normáló sor elhagyható.

2. Segédeszköz: digitális aluláteresztő szűrő. Mérünk egy X(t) feszültségfüggvényt Dt időnkénti mintavételezéssel. Az X[k] tömbből az Y[k] tömböt az Y[k+1]:= w*X[k]+(1-w)*Y[k] képlet szerint számítjuk, ahol 0<w<1 sulyfaktor. Ez egy t Dt*(1-w)/w időállandóju aluláteresztő szűrő. Célszerű w=1/2j értéket (pl 1/16 vagy 1/64, akkor t Dt*(2j-1)) választani, ui. a 2j -vel való osztás bináris eltolássá egyszerűsödik pl. 1001111 div 2 = 0100111. A fenti képlet átírható a Y[k+1]:= Y[k]+w*(X[k]-Y[k]) alakba, melyben csak összegzések és 2j -vel való osztás, tehát bináris eltolás szerepel. Az ilyen digitális szűrő igen egyszerű hardware eszközökkel (bináris összeadókkal, és shiftregiszterekkel) megvalósítható, tehát gyors.

A hardware összegzés és a digitális szűrő összekombinálható: ha az összegzés Y[k]:=(1-w)*Y[k] + w*X[k]/Ntransients alakú, akkor az összegben a régi tagok "elfelejtődnek", az új tagok átlaga dominál.

3. Az átlagolás egyszerű hardware eszközökkel (bináris összeadókkal) megvalósítható, tehát gyors és üzembiztos.

4. Az átlagolásnak két célja van: zajcsökkentés és felbontásnövelés. Elvileg az összegzés során a felbontás nő (pl. 12 bites felbontásu jel 16-szor összeátlagolva legjobb esetben 16 bitessé változik). A zaj szerepe kettős: ha túl kicsi (pl. 1 bitnél sokkal kisebb, akkor az 1 bites lépcsők 4 bitessé változnak, tehát az AD konverzió által okozott csonkítás továbbra is fennmarad. Ha a zaj nagyon nagy, akkor sokat kell átlagolni. Az optimum kb. az, ha néhány LSB-nyi zaj van a jelen - sokszor mesterségesen adunk zajt (dither) a jelhez.


Példák: radarvisszhang a Holdról, impulzus fotokémia, radiokémia


Szinkron egyenirányítás, fázisszelektív detektálás

Alapja:  csak akkor nem zérus, ha k természetes egész szám.

Spektroszkópiai példák: kis fényintenzitás mérése


1. példa: Kis intenzitású (pl. monokromátorból jövő) fény mérése fényszaggatással, és a szaggatással szinkron egyenirányítással.


2. példa: fény spektrumának mérése a monokromátor hullámhosszának modulálásával és azzal szinkron egyenirányítással. A kimeneten a spektrum hullámhossz szerinti deriváltjával arányos feszültség jelenik meg.


3. példa: A K1 és K2 küvettákban a mérendő ill. összehasonlító oldat van. A kimeneten az a fényelnyelés különbségével arányos feszültség­jel jelenik meg.

Fázisszelektív detektálás

Fázistoló áramkör van a referencia­ágban: fázisérzékeny detektálás (lock-in erősítő)

Analóg (klasszikus) lock-in erősítő: Kapuzás (kapcsolgatás), négyszögjellel szorzás;

Digitális (modern) lock-in erősítő: szinusz-szal, koszinusszal szorzás (numerikusan): így a Fourier-együtthatókat kapjuk meg.

Fourier-analizátor, spektrumanalizátor: szimultán sok frekvencián számítja a Fourier-együtthatókat

FRA, (frequency response analyzer), vektorvoltmérő: van (Ux2+ Uy2)1/2 kimenet


Digitális lock-in erősítő blokkvázlata



Az Ube mérendő feszültség az EE előerő­sítő után a Sz szűrőn keresztül jut az ACE jelű AC erősítőre, majd onnan az x-szel jelölt szorzóegységekbe. A referencia­csatorna kulcseleme az Osz jelű oszcillátor. Ez beállítható frekvenciáju és amplitudójú szinuszjelet állít elő, amely egyfelől a KE erősítő kimenetén megjelenve külső modu­lá­cióhoz felhasználható. Másfelől, az oszcillátor a Refbe bemeneten keresztül bejövő külső referenciajelhez szinkroni­zálható a PLL (phase locked loop) egység segítségével. Az oszcillátor szolgáltatta szinuszjel fázisa az FT fázistoló egységben megváltoztatható. Az alsó, és felső szorzó­egységben tehát a jelcsatornán kierősített feszültség szinuszjellel, illetve a FT90 90 fokos fázistoló egységben képzett koszi­nusz­jellel szorzódik össze. A szorzó­egy­ségek kimenetén megjelenő feszültségeket a DCE jelű erősítőkben egyenszint leválasz­tása után tovább erősítjük; ezek (az Uxki és Uyki feszültségek) a kimenő feszültségek. Ezekből a Psz jelű polár­koordináta számító egységben abszolut érték és fázisszög is számítódik és kerül az Uabski ill. fki kimenetére.

Modern, digitális lock-in erősítőkben a nagy téglalapon belüli egységek nem feszültségjeleket, hanem AD konver­terekkel digitalizált jeleket (számokat) dolgoznak fel (pl. a szorzóegység egy numerikus processzor). Ilyenkor a nagy téglalappal jelölt funkcionális egység neve DSP (digital signal processor).




Az Msz ISO 5725:2000 jelű, "Mérési módsze­rek és eredmények pontossága (valódiság és precizitás) című magyar szabvány általános­ságban az abszolút pontosság helyett a "valódiság", a relatív pontosság helyett a "precizitás" kifejezést javasolja. Általános metrológiai ismeretekkel kapcsolatban ajánlható az MTA-MMSZ Kft. www.chemonet.hu - Műszeroldal Metrológia webhelye.


: 2360


Felhasználási feltételek