1 Yleismittarin käyttäminen

Transkriptio

1 Työn tavoitteet 1 Yleismittarin käyttäminen Oppia tuntemaan tutkittujen yleismittareiden rakenne pääpiirteissään Oppia tuntemaan tutkittujen yleismittareiden suorituskyky pääpiirteissään Oppia tuntemaan tutkittujen mittareiden rajoitukset Oppia käyttämään tavallisia yleismittareita. 1.1 Digitaalisen yleismittarin toiminta Yleismittareilla voidaan yleensä mitata jännitettä, virtaa ja resistanssia. Virta- ja jännitemittauksia voidaan suorittaa niin tasa- kuin vaihtosuureille. Näiden perusominaisuuksien lisäksi mittareissa voi olla runsaasti lisämittausalueita, esim. kapasitanssin, taajuuden tai transistorin virtavahvistuksen mittaamiseen. Tässä työssä on tutkittavana digitaaliset yleismittarit Fluke 115 ja Meterman 30XR, jotka ovat tyypillisiä mittarityyppejä Yleismittarin lohkokaavio Kuvassa 21 on esitetty tyypillisen digitaalisen yleismittarin lohkokaavio. Yleismittarin etuosassa on vaimennin, jolla voidaan valita haluttu jännite-, virta- tai vastusalue. Vastusalueella alueen valinta muuttaa virtageneraattorin virta-arvoa. Seuraavana on vaihto-tasajännitemuunnin, joka yleensä perustuu lineaaripiirin avulla idealisoituun dioditasasuuntaajaan. Viimeisenä asteena ovat analogia-digitaali-muunnin sekä näyttö Analogia-digitaalimuunnin Digitaalisen yleismittarin perusosan muodostaa analogia-digitaalimuunnin (A/Dmuunnin). A/D-muuntimen ominaisuudet määräävät mittarin nopeus-, tarkkuus- ja häiriönsieto-ominaisuudet. Tässä työssä käytettävän digitaalivolttimittarin A/D-muunnin perustuu kaksoisintegrointiin. Kaksoisintegroiva A/D-muunnin (dual-slope A/D converter, kaksoisluiskaanalogia digitaalimuunnin) on yleisimmin käytetty muunnintyyppi digitaalisissa volttimittareissa, yleismittareissa ja muissa hitaissa mittaussovellutuksissa. Se on toiminnaltaan hidas verrattuna muihin muunnintyyppeihin, mutta sillä saavutetaan erittäin hyvä lineaarisuus ja häiriövaimennus. Muuntimen toiminta selviää kuvista 22 ja

2 U R vertailujännite Jännite Jännite DC Virta AC/DC AC A/D Virtagen. Ohm. Näyttö Virta Resistanssi Virranmittausetuvastus Kuva 21. Digitaalisen yleismittarin lohkokaavio. Muunnoksen alussa kytketään mitattava jännite U X integraattorin ottoon. Tuntematonta jännitettä integroidaan vakioaika T 1. Aika määrätään muuntimen kellolla, laskurilla ja ohjauslogiikalla. Tämän jälkeen integraattorin ottoon kytketään negatiivinen vertailujännite U R. Vertailujännitettä integroidaan, kunnes integraattorin antojännite U I laskee nollaan. C U X R U I integraattori komparaattori Kello Ohjauslogiikka Laskuri n digitaalinen anto Kuva 22. Kaksoisintegroiva A/D-muunnin. 31

3 U I t T 1 T 2 Kuva 23. Integraattorin antojännite U I kolmella erisuurella jännitteellä Kello, laskuri ja ohjauslogiikka mittaavat integrointiin kuluvaa aikaa, kunnes komparaattori havaitsee nollajännitteen. Tulokseksi saatu aika T 2 on suoraan verrannollinen mitattavaan jännitteeseen. T 2 TU 1 X = (1.1) U R Toimintaperiaatteesta johtuen muuntimen tarkkuus ei ole riippuvainen kellon taajuuden ja integraattorin aikavakion stabiiliudesta, kunhan ne vain pysyvät vakioina muunnoksen ajan. Lisäksi muuntimella saadaan hyvä verkkotaajuisten (50Hz) häiriöiden vaimennus, jos integrointiaika T 1 valitaan häiriön jakson tai sen monikerran pituiseksi Mittareiden näyttämät AC-alueella AC-jännitteen tehollisarvo määritellään niin, että vaihtojännite, joka tuottaa resistiiviseen kuormaan saman keskimääräisen tehon kuin DC-jännite, on tehollisarvoltaan sama kuin em. DC-jännite. Tehollisarvojen avulla voidaan laskea vaihtojännitteiden yhteydessä samanlaisia asioita, kuin DC-jännitteillä. Esim. voidaan laskea 60 W:n hehkulampun virrankulutus tutulla kaavalla I=P/U. AC-jännitteen hetkellinen teho on 2 U() t Pt () =, (1.2) R missä U(t) on hetkellinen jännite ja R on kuormaresistanssi. Keskimääräinen teho on näin ollen P Ave T U() t 2 R dt 0 =, (1.3) T 32

4 missä T on jaksonaika. Jos signaali ei ole jaksollinen, valitaan integrointiaika T niin, että usean perättäisen mittauksen välillä ei tule suurta hajontaa. Keskimääräisestä tehosta voidaan laskea jännitteen tehollisarvo U = P R. (1.4) RMS Ave Esimerkiksi siniaallolla tehollisarvo on 1 2 huippuarvosta tai π = 111, kertaa 2 2 jännitteen tasasuunnattu keskiarvo. Yleismittarin vaste on yleensä joko keskiarvoon tai tehollisarvoon pohjautuva. Koska kuitenkin usein ollaan kiinnostuneita tehollisarvosta, on keskiarvonäyttöinen yleismittari säädetty näyttämään sinimuotoisille signaaleille tehollisarvoa kertomalla keskiarvo luvulla 1,11. Tällainen mittari näyttää tehollisarvoa ainoastaan sinimuotoisille signaaleille. Muilla aaltomuodoilla voidaan oikea tehollisarvo kuitenkin laskea, mikäli aaltomuoto tunnetaan. Keskiarvopohjaisia mittareita ovat mm. kiertokäämimittarit sekä yksinkertaisemmat digitaalivolttimittarit (Meterman 30XR). Tehollisarvonäyttöisiä ovat mm. kiertorautamittarit (käytetään taulumittarina sähkövoimatekniikassa) sekä digitaaliyleismittarit, joissa tehollisarvo lasketaan tarkoitukseen kehitetyllä mikropiirillä. Esimerkkinä tällaisesta todellista tehollisarvoa näyttävästä mittareista käsitellään laboratoriotöissä yleismittaria Fluke 115. Useimmilla yleismittareilla ei DC-komponentti vaikuta näyttämään vaihtosuureita mitattaessa (=mittari ACkytketty), mutta on myös olemassa mittareita, jotka mittaavat koko signaalin (AC+DC) arvoa. Molemmat tässä työssä käytettävät yleismittarit ovat vaihtosuureita mitattaessa AC-kytkettyjä Virran mittaus pihtivirtamittarilla Virtaa voi mitata myös katkaisematta piiriä käyttämällä pihtivirtamittaria. Johtimessa kulkeva virta synnyttää ympärilleen magneettikentän, jonka suuruutta mitataan laittamalla pihtimittarin silmukka johtimen ympärille. Magneettikentän suuruuden avulla määritetään johtimessa kulkeva virta. Yksinkertaisemmat AC-mittarit mittaavat vain vaihtovirtaa, ja niiden toiminta perustuu sähkömagneettiseen induktioon. AC/DC mittarit käyttävät hyväkseen Hallilmiötä 1 ja pystyvät havaitsemaan myös staattisen magneettikentän, eli mittaamaan sekä vaihto- että tasavirtaa. Kuten yleismittareissa, myös pihtivirtamittareissa vaste on joko todelliseen tehollisarvoon (TRMS) tai tasasuunnattuun keskiarvoon pohjautuva, jolloin oikea lukema saadaan vain sinimuotoiselle vaihtovirralle. 1 Hall-ilmiö viittaa potentiaalieroon (Hall-jännite) johtimen vastakkaisissa päissä, kun johtimen läpi kulkee virta ja se on sijoitettu magneettikenttään. Jännite syntyy kohtisuoraan virran suuntaan ja magneettikenttään nähden. 33

5 Saatavilla on myös pelkkiä virtapihtejä, joissa on ainoastaan virran jännitteeksi (tai virraksi) muuntava osa, ja joista siis puuttuu mittariosa. Muuntosuhde voi olla esimerkiksi 10 mv/a. Tälläiset pihdit kytketään yleismittariin tai oskilloskoopiin, jolloin myös virran käyrämuoto voidaan saada näkyviin. Tässä työssä käytetään Fluke 322 -keskiarvopohjaista pihtivirtamittaria, sekä Meterman CT238 virtapihtiä, jonka vaste riippuu mittarista, johon se kytketään. Mitatusta virrasta lasketaan teho kertomalla se jännitteellä. Vaihtovirtapiireissä todellinen teho saadaan tällä tavalla vain täysin resistiivisella kuormalla. Kuormassa on usein myös reaktiivisia (eli induktiivisia tai kapasitiivisia) komponentteja, jolloin jännite- ja virtakäyrät eivät ole samassa vaiheessa. Näin saatu teho on näennäisteho S. Pätötehon P, P S cosϕ = U RMS I cosϕ (1.5) = RMS saamiseksi näennäisteho on vielä kerrottava tehokertoimella cos φ, joka on virran ja jännitteen vaihe-eron kosinin itseisarvo. Toinen asia, joka tulee ottaa huomioon tehoa laskettaessa on ei-lineaariset kuormat, esimerkiksi hakkuri-tehonlähteet. Tällaisia teholähteitä käytetään yleisesti kodin elektroniikkalaitteissa, esimerkiksi tietokoneissa. Hakkuriin menevä virta ei ole aina sinimuotoista, mikä tarkoittaa, että oikea lukema saadaan vain True RMS -mittarilla Pienten resistanssien mittaus Käytettäessä tyypillistä yleismittaria (kuva 21) summautuu mittausjohtimien resistanssi mitattavaan vastukseen. Pieniä resistansseja (< 1 Ω) mitattaessa yhdysjohtimien resistanssin ja liitosresistanssien vaikutus mittaustulokseen voi kasvaa merkittäväksi. Pienten resistanssien mittauksessa nelipistemenetelmä eliminoi tehokkaasti haitallisten resistanssien vaikutusta (kuva 24). Mitattavan resistanssin (R) läpi kulkeva virta on vakio riippumatta johdin- ja ylimenoresistansseista ja jännitemittari mittaa vain tutkittavan vastuksen yli olevaa jännitettä. Työssä käytetään pienten resistanssien mittaukseen yleismittaria HP 3468A tai HP 34401A, joissa on nelipistemittausmahdollisuus. 34

6 liitos- ja johdinresistanssit I R V jännitemittaus mittausvirtalähde Kuva 24. Vastuksen nelipistemittaus. Virtalähde on sisäänrakennettu mittariin Tutkittavat yleismittarit Tutkittavana on kaksi kolmen ja puolen numeron yleismittaria Fluke 115 (suurin näyttämä 6000), sekä Meterman 30XR (suurin näyttämä 1999). Molemmissa mittareissa mittaus perustuu kaksoisintegroivaan AD-muuntimeen. Vaihtojännitteen ja -virran osalta Fluke 115 mittaa suoraan tehollisarvoa (true root mean square, TRMS), joten mittari näyttää oikein vaihtosuureen tehollisarvoa aaltomuodosta riippumatta. Meterman 30XR edustaa hieman yksinkertaisempaa tekniikkaa, sillä sen näyttämä on AC-alueilla tasasuunnattuun keskiarvoon verrannollinen, korjattuna kertoimella 1,11 näyttämään sinimuotoiselle signaalille tehollisarvoa. Muilla aaltomuodoilla Meterman 30XR:n näyttämä eroaa todellisesta tehollisarvosta. Molemmat mittarit ovat AC-kytkettyjä, joten niillä vaihtosuureita mitattaessa saadaan arvo pelkästään vaihtokomponentille. Jos halutaan koko signaalin tehollisarvo, täytyy se laskea kaavalla RMS 2 DC 2 ACRMS U = U + U. (1.6) 35

7 1.2 Mittaukset Tarvittavat laitteet Yleismittari Fluke 115 Yleismittari Meterman 30XR Yleismittari HP 3468A tai HP 34401A Pihtivirtamittari Fluke 322 Virtapihti oskilloskoopille Meterman CT238 Jännitelähde Mascot 0-30 V Oskilloskooppi Säätövastus Pieni vastus Funktiogeneraattori Musta laatikko, väriltään harmaa Vastusmittauskytkentä Tietokone, jossa muunneltu virtajohto Virran ja jännitteen mittaus Kytke jännitelähde, vastuskytkentä sekä kaksi mittaria siten, että saat mitattua vastuksen R 1 yli olevan jänniteen sekä sen läpi kulkevan virran. Säädä jännitelähteen jännitteeksi n. 5V. Laske mittausten perusteella vastuksen R 1 arvo. Tee tarvittavat muutokset kytkentään ja määritä samalla tavalla epäideaalisuusresistanssien R 2 arvo AC-jännitteen mittaus Mittaa kummallakin mittarilla funktiogeneraattorin lähdöstä saatavat sini-, kolmioja suorakaidejännitteet 100 Hz:n taajuudella (tutki riippuuko mittaustulos siitä, onko vain toinen vai molemmat mittarit kytkettynä). Käytä oskilloskooppia säätääksesi kunkin aaltomuodon amplitudiksi 5 V huipusta huippuun (ilman kuormaa) ja tasajännitetasoksi 0 V. Käytä äskeistä kalibrointiasi hyväksesi. Lisää ulostulosignaaliin +2V tasajännite (offset) ja toista mittaukset Virtamittaus, mittarin jännitehäviö Mittaa mittarien yli jäävä jännite 100mA:n virralla. Meterman 30XR:lla asteikoksi valitaan 200 ma. Suorita mittaus kuvan 25 mukaisesti kytkemällä toinen mittareista jännite- ja toinen virtamittariksi. Toista mittaus, kun olet vaihtanut mittareiden toimintatapoja. HUOM! Aseta säätövastus maksimiarvoonsa ennen jännitelähteen kytkemistä ja varmista asia mittaamalla säätövastuksen arvo yleismittarin ohmiasennolla. Sopiva arvo jännitteelle on noin 5V. 36

8 100 R Jännitelähde A V Kuva 25. Virtamittarin jännitehäviön mittaaminen Virran mittaus pihtivirtamittarilla Mittaa Fluke 322 -pihtivirtamittarilla tietokoneen virtajohdossa kulkeva virta, ja laske siitä tietokoneen kuluttama teho lepotilassa. Laita vain yksi johto mittarin silmukkaan, muuten vastakkaiset virrat kumoavat toisinsa (varo ettei johto jää pihdin puristuksiin). Käynnistä ohjelma SP2004, varmista että Test: kentässä on valittu Blend stress CPU and RAM ja paina Start, jolloin ohjelma kuormittaa tietokonetta laskemalla alkulukuja. Mittaa virta sekä laske tietokoneen kuluttama teho kuormitettuna. Verkkojännite on 230 V. Paina Stop kun lopetat mittauksen. Kytke Meterman CT238 virtapihdit oskilloskooppiin ja toista edellinen mittaus tietokoneen lepotilassa sekä kuormitettuna. Valitse oskilloskoopista RMS-arvo ruudulle (measure voltage Vrms). Ulostulon jännitteen ja mitattavan virran suhde on merkitty mittariin, siitä voit laskea tehon Pienten vastusten nelipistemittaus Mittaa Fluke 115:lla, Meterman 30XR:lla ja HP:lla (HP nelipistemittauksella) pienen vastuksen suuruus. Toista mittaus kaksijohdinmittauksena huomioimalla mittajohtojen vaikutus. Kuinka suuri on johdin- ja liitosresistanssien osuus kaksipistemittauksessa? DC-jännitteen mittaaminen suuri-impedanssisesta piiristä Suuri-impedanssisen piirin jännitteiden mittaaminen tuottaa ongelmia, koska mittari kuormittaa piiriä. Mustassa laatikossa (kuva 26) suuri-impedanssista piiriä kuvaa jännitelähde, jossa on suuri sisäinen vastus R S. Jännitelähteen perään on kytketty operaatiovahvistin, jonka ottoimpedanssi Z in on hyvin suuri verrattuna tyypillisen yleismittarin ottoimpedanssiin, vahvistus on yksi ja antoimpedanssi puolestaan erittäin pieni, jota yleismittarin vastus ei kuormita. Mittaa jännite Meterman 30XR:lla operaatiovahvistimen lähdöstä. Anna 30XR:n olla mittaamassa ja mittaa Fluke 115:lla mustan laatikon jännitelähteen suuruus jännitelähteen ja 1 Näin mitattu teho on näennäisteho, todellisen pätötehon saamiseksi tarvitaan tieto virran ja jännitteen vaihe-erosta (kts ) 37

9 operaatiovahvistimen välissä olevasta ulosotosta. Mitä Meterman nyt näyttää? Laske Metermanin mittaustuloksen muuttumisen avulla arvio R S :n arvolle. Mittareiden sisääntuloimpedanssit löytyvät liitteenä olevista spesifikaatioista. R S A=1 E Z in Kuva 26. Musta laatikko 1.3 Kysymykset Mikä on valmistajan mukaan mittarin epävarmuus Meterman 30XR:lla 200 V asteikolla ja Fluke 115:lla 600 V asteikolla 1, kun mitattava jännite on: - 50 % täydestä näyttämästä, eli 100 V Metermanilla ja 300 V Flukella - 25 % täydestä näyttämästä, eli 50 V Metermanilla ja 150 V Flukella - 5 % täydestä näyttämästä, eli 10 V Metermanilla ja 30 V Flukella Ilmoita tulos millivoltteina Laske kohdassa Meterman 30XR:lla mitatuista jännitteistä oikeat tehollisarvot, kun otetaan huomioon siniaallosta poikkeavan aaltomuodon aiheuttama virhe. Ohje: vrt. esiselostus Voiko tutkituilla mittareilla saada selville, onko kysymyksessä tasa- vai vaihtojännite vaiko niiden summa? Perustele vastaus Miksi kohdassa eri mittareilla mitatut tulokset eroavat? Yritä selittää miksi virran käyrän muoto ei ole sinimuotoinen Mistä johtuu kohdan mittauksessa jännitteen muuttuminen, kun toinen yleismittari kytketään operaatiovahvistimen oton puolelle? Laske R S :n suuruus. Operaatiovahvistimen sisäänmenoimpedanssi on suuri. 1 Fluke 115 valitsee asteikot automaattisesti ja näyttää mikä asteikko on käytössä, mutta myös manuaalinen valinta on mahdollinen. 38

10 Liitteet: Liitteissä esim. merkintä ± 0.5% of reading (rdg) + 3 digits (dgt, counts) tarkoittaa seuraavaa: 0.5% of reading tarkoittaa 0,5% mittauslukemasta. 3 digits tarkoittaa kolmen yksikön muutosta näytön viimeisessä numerossa. Esim. Meterman 30XR:ssa 200 mv:n alueella 1 dgt tarkoittaa 100 µv. Epätarkkuudet summataan tavallisella yhteenlaskulla. Liite 1.1 Meterman 30XR spesifikaatioita 30XR Specifications (at 23 C ± 5 C, <75 % R.H. non-condensing) DC Voltage Ranges 200 mv, 2 V, 20 V, 200 V, 600 V Accuracy all ranges: ± (1 % rdg + 1 dgt) Resolution 100 µv Input Impedance 10 MΩ AC Voltage (45 Hz to 500 Hz) Ranges 200 mv, 2 V, 20 V, 200 V, 600 V Accuracy all ranges: ± (1.5 % rdg + 4 dgts) Resolution 100 µv Input Impedance 10 MΩ DC Current Ranges 200 µa, 2 ma, 20 ma, 200 ma, 10 A Accuracy 200 µa to 200 ma ranges: ± (1.5 % rdg + 1 dgt) 10 A range: ± (2.0 % rdg + 3 dgts) Resolution 0.1 µa Voltage Burden (Max) 200 µa range: 1 mv/µa 2 ma range: 100 mv/1ma 20 ma range: 13 mv/1 ma 200 ma range: 4.6 mv/1 ma 10A range: 40 mv/1 A AC Current (45 Hz to 500 Hz) Ranges 200 µa, 2 ma, 20 ma, 200 ma, 10 A Accuracy 200 µa to 200 ma ranges: ± (2.0 % rdg + 4 dgts) 10A range: ± (2.5 % rdg + 4 dgts) Resolution 0.1 µa Voltage Burden See DC Current 39

11 Resistance Ranges 200 Ω, 2 kω, 20 kω, 200 kω, 2 MΩ, 20 MΩ Accuracy 200 Ω to 200 kω ranges: ± (1.0 % rdg + 4 dgts) 2 MΩ range: ± (1.5 % rdg + 4 dgts) 20 MΩ range: ± (2.0 % rdg + 5 dgts) Resolution 100 mω Open Circuit Voltage 200 Ω range: 3.0 V dc All other ranges: 0.3V dc typical Continuity Audible Indication 75 Ω ± 25 Ω Response Time 100 ms Diode Test Test Current 1.0 ma (approximate) Accuracy ± (1.5 % rdg + 3 dgts) Resolution V Open Circuit Volts 3.0 V typical Battery Test Ranges 1.5 V, 9 V Accuracy ± (3.5 % rdg + 2 dgts) Resolution 1 mv, 10 mv Load Test Current 1.5 V range: 150 ma typical 9 V range: 5 ma typical Non-Contact Voltage Detector (NCV) AC Volts 70 to 600 V ac Red LED and Audible Indicator Liite 1.2 Fluke 115 Spesifikaatioita Accuracy Specifications DC millivolts DC volts AC millivolts 1 true-rms AC volts 1 true-rms Range: mv Resolution: 0.1 mv Accuracy: ± ([% of reading] + [counts]): 0.5% + 2 Range/Resolution: V / V Range/Resolution: V / 0.01 V Range/Resolution: V / 0.1 V Accuracy: ± ([% of reading] + [counts]): 0.5% + 2 Input Impedance: >10 MΩ <100 pf Range: Resolution: Accuracy: mv 0.1 mv 1.0 % + 3 (dc, 45 Hz to 500 Hz) 2.0 % + 3 (500 Hz to 1 khz) Range/Resolution: V / V Range/Resolution: V / 0.01 V Range/Resolution: V / 0.1 V 1.0 % + 3 (dc, 45 Hz to 500 Hz) Accuracy: 2.0 % + 3 (500 Hz to 1 khz) Input Impedance: >5 MΩ <100 pf 40

12 Continuity Ohms Diode Test Capacitance Lo-Z Capacitance AC amps true-rms (45 Hz to 500Hz) DC amps Hz (V or A input) 2 Range: Resolution: Accuracy: 600 Ω 1 Ω Beeper on < 20 Ω, off > 250 Ω; detects opens or shorts of 500 µs or longer. Range/Resolution: Ω / 0.1 Ω Range/Resolution: kω / kω Range/Resolution: kω / 0.01 kω Range/Resolution: kω / 0.1 kω Range/Resolution: MΩ / MΩ Accuracy: 0.9 % + 1 Range/Resolution: MΩ / 0.01 MΩ Accuracy: 1.5 % + 2 Range/Resolution: 2.00 V / V Accuracy: 0.9% + 2 Range/Resolution: 1000 nf / 1 nf Range/Resolution: µf / 0.01 µf Range/Resolution: µf / 0.1 µf Range/Resolution: 9999 µf / 1 µf Range/Resolution: 100 µf to 1000 µf Accuracy: 1.9% + 2 Range/Resolution: > 1000 µf Accuracy: 5% + 20% Range: 1 nf to 500 µf Accuracy: 10% + 2 typical Range/Resolution: A / A Range/Resolution: A / 0.01 A Accuracy: 1.5% A overload for 30-seconds max Range/Resolution: A / A Range/Resolution: A / 0.01 A Accuracy: 1.0% A overload for 30-seconds max Range/Resolution: Hz / 0.01 Hz Range/Resolution: Hz / 0.01 Hz Range/Resolution: khz / khz Range/Resolution: 50 khz / 0.01 khz Accuracy: 0.1% + 2 Notes: 1) All ac voltage ranges exept Auto - V / Lo-Z are specified from 1% to 100% of range. Auto - V / Lo-Z is specified from 0.0V. 2) Frequency is ac coupled, 5 Hz to 50 khz for ac voltage. Frequency is dc coupled, 45 Hz to 5 khz for ac current. 41

13 Liite 1.3 HP 3468A spesifikaatioita 42

14 43

15 44