SEMINARSKI RAD

DIGITALNI INSTRUMENTI ZA ELEKTRIČNA MJERENJA

VAHID MUJIĆ

SADRŽAJ

Sadržaj ............................................................................................................................... 1

1. Uvod ............................................................................................................................. 2

2. Analogno digitalna pretvorba signala............................................................................. 3

3. Digitalni mjerni instrumenti.......................................................................................... 5

3.1.Univerzalni digitalni mjerni instrument................................................................... 6

3.1.1. Mjerenje struje pomoću univerzalnog mjernog instrumenta ......................... 7

3.1.2. Mjerenje napona pomoću univerzalnog mjernog instrumenta........................8

3.1.3. Mjerenje otpora pomoću univerzalnog mjernog instrumenta........................ 8

3.1.4. Mjerenje snage istosmjerne struje ................................................................. 8

3.2. Osciloskop .............................................................................................................. 9

4. Zaključak....................................................................................................................... 13

5. Literatura ...................................................................................................................... 13

______________________________________1___________________________________

1. UVOD

Izučavanje pojmova o fizikalnoj veličini i njenom mjerenju spada u osnovne predmete naučnog istraživanja. Teoretska istraživanja na ovom planu provode se u okviru različitih naučnih i tehničkih disciplina: filozofije, fizike, matematike, elektrotehnike, mjerne tehnike idt. U tom kontekstu nauka o mjerenju zauzima posebno mjesto u sistemu savremenih nauka i tehnika. Značaj mjerenja kao praktične tehničke djelatnosti od prvenstvene je važnosti kako u svakodnevnom životu tako i u svim područjima privrede i nauke. Kuda god krenemo susrećemo se sa mjerenjem.

- Mjerenje je skup eksperimentalnih postupaka koji imaju za cilj određivanje jedne veličine.

- Mjerenje je proces poređenja vrijednosti nepoznate veličine sa veličinom koja je uzeta za jedinicu mjere.

Osnovna podjela mjernih instrumenata u elektrotehnici: ∙ analogne ∙ digitalne Ovdje ćemo se bazirati na digitalne mjerne intrumente za električna mjerenja. Između ostalog objasniti ćemo princip rada univerzalnog digitalnog mjernog instrumenta i osciloskopa.

KLJUČNE RIJEČI:

Digitalni univerzalni mjerni instrument, mjerenje struje-napona-otpora-snage, osciloskop.

______________________________________2__________________________________

2. ANALOGNO DITIGALNA PRETVORBA SIGNALA

Rezultat svakog koraka pretvorbe je digitalni signal određen binarnim brojem.

- Binarni broj je određen zahtijevanom rezolucijom pretvornika (izražena u broju bita). Najveći broj pretvorbi analognog signala u jedinici vremena (sekunda) naziva se: brzina pretvorbe ili frekvencija uzorkovanja (jednostavno izražena u hercima).

- Dakle, u najjednostavnijem primjeru se kvantizirana vrijednost mjerenog signala izražava binarnim brojem. Svaki se stepen kvantizacije tada može predstaviti jednim binarnim brojem u binarno kodiranom decimalnom sustavu (BCD).

Činjenica da kvant ipak nema dovoljno malu vrijednost, stvara mogućnost pogreške u odmjeravanju iznosa signala: pogrešku kvantizacije.

Slika 1. Analogno digitalna pretvorba [9]

__________________________________3________________________________________

Vidimo da je uz kvantizaciju na prethodnoj slici, moguće ustanoviti samo određene vrijednosti analognog signala (0,5; 1,5; 2,5;...6,5).

- Međuvrijednosti se ne mogu iskazati, odnosno svakoj analognoj vrijednosti koja npr. leži između ± 0,5 pridijeljena je ista digitalna vrijednost: 001.

- Pogreška kvantizacije se izražava pomoću širine koraka kvantizacije (Q).

- Digitalni sustav, od same pretvorbe analognog signala do prikazivanja ili predaje kodiranih vrijednosti, ima osobitu tehniku obrade mjerene veličine.

- Pri projektiranju digitalnih sustava općenito, pa tako i digitalnih mjernih instrumenata, izbor načina kodiranja mjerenog signala jedan je od osnovnih problema,

- Danas se digitalni sustavi uglavnom temelje na binarnom brojevnom sustavu s osnovicom. Takav sustav je jednostavan za tehničku realizaciju, i znatno ekonomičniji od drugih.

Slika 2. Tok mjerene veličine u digitalnom mjernom sustavu [9]

_______________________________________4___________________________________3. DIGITALNI MJERNI INSTRUMENTIKod digitalnih mjernih instrumenata očitavanje mjerene veličine je mnogo lakše i tačnije nego kod analognih intrumenata.Vrijednost se direktno očita na LCD pokazniku, dakle nema dvojbe oko izbora ljestvice,određivanja konstante instrumenta i množenja sa njom i nema subjektivnih grešaka priočitavanju broja podioka kao sto je slučaj kod analognih mjernih instrumenata.

OSNOVNE KARAKTERISTIKE:-Digitalni (cifarski ) prikaz-Prikazivanje iz konačnog skupa vrijednosti (diskretne vrijednosti)-Prikazivanje vremenski diskretno-Minimalna greška jednaka polovini minimalne promjene najniže cifre

ELEMENTI DIGITALNOG MJERNOG INSTRUMENTA:- Senzorsko i prilagodno kolo (mjerenu veličinu pretvara u naponski signal i prilagođava opseg napona A/D konvertoru)- NF filter (ogranicava spektar ulaznog signala, granična učestanost filtra po Nikvistovom kriterijumu mora biti manja od polovine učestanosti odmjeravanja)- Analogno digitalni konvertor- Digitalni pokazni sistem

_______________________________________5___________________________________3.1. UNIVERZALNI DIGITALNI MJERNI INSTRUMENT (multimetar)Za servisiranje raznih električnih uređaja u kućanstvu, u radionici, ili za održavanjeelektričnih strojeva u proizvodnim pogonima potrebno je mjeriti struje, napone i otpore. Poštoje nepraktično nositi više instrumenata napravljen je univerzalni mjerni instrument (naziva sei multimetar). On je lako prenosiv, mehanički otporan i dovoljno tačan za rad na terenu, a

njime se mogu mjeriti istosmjerni i izmjenični naponi i struje, i električni otpor.

Slika 3. Univerzalni digitalni mjerni instrumenti YF-3120 i YF-3140 [4]

Univerzalnim mjernim instrumentima YF-3120 i YF-3140 prikazanim na slici 3. mogu semjeriti naponi (istosmjerni do Umax = 1000 [V] i izmjenični do Umax = 750 [V]), struje (istosmjerne i izmjenične do Imax = 20 [A]), otpori otpornika do Rmax = 20 [MΩ], te parametar hFE bipolarnih PNP i NPN tranzistora. Osim toga, univerzalni mjerni instrument YF-3140 ima mogućnost mjerenja kapaciteta kondenzatora Cx.Osnovna razlika između dva prikazana digitalna univerzalna mjerna instrumenta je u tome štomodel YF-3120 ima odvojene dijelove skale za mjerenje istosmjernih i izmjeničnih veličina(napona i struja), dok model YF-3140 ima prekidač kojim se određuje mjere li se istosmjerne (DC) ili izmjenične (AC) veličine dok se isti dio skale koristi u oba slučaja.Oba prikazana modela jednako se spajaju na željeno mjerno mjesto. U donjem dijelu uređajapostoje četiri priključnice pored kojih piše što se pomoću njih mjeri. Gledano slijeva nadesno, prva je priključnica označena crvenom bojom i pored nje piše "20 A", pored sljedeće piše "mA", sljedeća je označena s "COM" i posljednja ima raznobojne oznake "V" i "Ω".

________________________________________6__________________________________

Prilikom spajanja univerzalnog mjernog instrumenta na mjesto mjerenja neke od električnihveličina, uvijek je potrebno spojiti instrument s dvije žice, od kojih jedna uvijek izlazi iz zajedničke priključnice (COM). Iz koje od preostale tri priključnice na instrumentu izlazi druga žica koja se na mjerno mjesto spaja ovisno o tome što instrumentom želimo mjeriti.

↑ ↑ ↑ Priključnica za mjerenje Priključnica za mjerenje struja Priključnica za mjerenje otpora i napona struja većih od 20 [mA] i manjih od 20 [mA] manjih od 20 [A]

Slika 4. Priključnice [4]

Simbol Funkcija Opis DC napon Mjerno područje za mjerenje

istosmjernih napona AC napon Mjerno područje za mjerenje

izmjenicnih napona mV mili Volt 1/1000V A Amper Jedinica za jačinu električne struje mA mili Amper 1/1000A Ω Ohm Jedinica za eektrični otpor dioda Mjerno područje za testiranje dioda provodljivost Mjerno područje za akustički test

provodljivosti

Simboli na LCD pokazniku multimetra [11]

3.1.1. MJERENJE STRUJE POMOCU UNIVERZALNOG MJERNOG INSTRUMENTA

Ukoliko mjerimo struju iznosa većeg od 20 [mA] i manjeg od 20 [A], tada će druga žica na

instrument biti spojena u prvu priključnicu (20 A) (slika 4). Ukoliko je struja koju želimo mjeriti manja od 20 [mA], tada će druga žica biti spojena na drugu priključnicu (mA) (slika 4). U oba će slučaja odabrano mjerno područje morati biti dio skale za mjerenje struje (istosmjerne ili izmjenične, ovisno o tome koji oblik struje mjerimo). Na mjernom mjestu, kada mjerimo struju, univerzalni mjerni instrument mora biti serijski spojen u strujni krug. _____________________________________7_____________________________________

3.1.2. MJERENJE NAPONA POMOCU UNIVERZALNOG MJERNOG INSTRUMENTAUkoliko univerzalnim mjernim instrumentom mjerimo napon , tada će druga žica nainstrument biti spojena u četvrtu priključnicu (V) (slika 4). Odabrano mjerno područje će u ovim slučajevima biti ili dio skale za mjerenje napona (istosmjernog ili izmjeničnog, ovisno o tome koji oblik napona mjerimo). Na mjernom mjestu, kada mjerimo napon, univerzalni mjerni instrument mora biti paralelno spojen u strujni krug.Iako je opis dan za univerzalni mjerni instrument YF-3120, i za univerzalni mjerni instrumentYF-3140 vrijede ista pravila. Osnovna je razlika u tome što se odabir vrste napona ili struje koju mjerimo (da li se radi o istosmjernim DC ili izmjeničnim AC električnim veličinama) vrši pomoću preklopke u gornjem lijevom kutu iznad mjerne skale instrumenta.

3.1.3. MJERENJE OTPORA POMOCU UNIVERZALNO MJERNOG INSTRUMENTAUkoliko univerzalnim mjernim instrumentom mjerimo otpor, tada će druga žica na instrument biti spojena u četvrtu priključnicu (Ω) (slika 4). Odabrano mjerno područje će u ovim slučajevima biti dio skale za mjerenje otpora. Na mjernom mjestu, kada mjerimo otpor, univerzalni mjerni instrument mora biti paralelno spojen u strujni krug.

Kada vršimo mjerenja otpora, moramo pazite da su mjerne tačke koje diramo mjernim vrhovima slobodne od prljavštine, ulja, laka ili slično, jer njihova prisutnost može da dovede do pogreške u mjerenju.

3.1.4. MJERENJE SNAGE ISTOSMJERNE STRUJE

Snaga istosmjerne struje mjeri se obično tako što se pomoću ampermetra mjeri struja portošača Ip, a pomoću voltmetra napon tereta Up. Snaga je proizvod oba očitanja Pp , odnosno Pp=Up Ip.

Postoje dvije mogućnosti priključenja oba instrumenta:

- Ampermetar se priključi ispred voltmetra. Voltmetar je u tom slučaju priključen na stezaljke potrošača

- Ampermetar se priključi iza voltmetra, tj u tom slučaju voltmetar je priključen na stazaljke otvora napona Ug.

______________________________________8____________________________________3.2. OSCILOSKOPOsciloskop je uz univerzalni instrument za mjerenje napona, struje i otpornostinajčešće korišten mjerni instrument u elektronici. Osnovna namjena mu je prikazivanjevremenskih oblika periodičnih naponskih signala, ali se može koristiti i za prikazivanjemedjusobne zavisnosti dva naponska signala (mjerenje faze i učestanosti primjenomLizažuovih figura, snimanje prenosne karakteristike nelinearnih rezistivnih kola,snimanje krive, magnećenja feromagnetskih materijala), kao i prikazivanje aperiodičnihsignala. Uz primjenu odgovarajućih strujnih sondi koje konvertuju strujne signale unaponske, moguće je prikazivanje vremenskih oblika strujnih signala. Takođe, uzprimjenu odgovarajućih senzora koji konvertuju neelektrične fizičke veličine u električninapon, moguće je vrštiti posmatranja i mjerenja na neelektričnim signalima.Osciloskop je prvenstveno instrument za posmatranje signala i ne spada u najpreciznije mjerne instrumente. Ovaj elektronički mjerni uređaj služi za brži dvodimenzionalni prikaz signala. Osciloskop se najčešće koristi za prikaz vremenske ovisnosti nekog mjernog signala Y=f(t), gdje se vodoravna (X-osa) podrazumijeva kao vremenska osa. Alternativno se osciloskop može koristiti za prikaz funkcijske ovisnosti dva signala (takozvani X-Y način rada), gdje se na Y-osi osciloskopa dovodi jedan od mjernih

signala, dok se na X-osu dovodi signal u čijoj funkciji želimo promatrati signal doveden na Y-

osu.

Slika 5. Džepni digitalni LCD osciloskop [10]

_______________________________________9___________________________________

Povećanje kvaliteta i mogućnosti digitalnih komponenata i pad njihove cijeneuzrokovali su prodor digitalne tehnologije u sve oblasti elektronike, pa i u oblastelektričnih mjerenja. Prvi digitalni osciloskopi su bili po komandama bitno različiti odanalognih. Njihov dalji razvoj je išao u dva pravca, ka logičkim analizatorimanamijenjenim za posmatranja signala i mjerenja u složenim digitalnim sistemima, gdje jeod manjeg značaja precizno poznavanje trenutne vrijednosti signala i veliki opsegmogućih vrijednosti prikazanih signala, a od presudnog značaja je mogućnostposmatranja velikog broja nezavisnih signala (svakako više od dva kanala koje

obezbjeđuju standardni osciloskopi), kao i mogućnost praćenja signala tokom dužegperioda vremena. Drugi pravac je išao ka savremenim digitalnim osciloskopima, koji sepo komandama minimalno razlikuju od analognih osciloskopa. Dodatne mogućnostikoje pružaju digitalni osciloskopi su prije svega mogućnost lake akvizicije i skladištenjarezultata mjerenja, kao i niz automatizovanih mjerenja koja su zasnovana na metodamadigitalne obrade signala.

Slika 6. Textronix TDS 210 [1]

Najčešće je moguće sa digitalnog osciloskopa prenijeti rezultate mjerenja u obliku datoteke sa nizom odbiraka na personalni računar, gde je moguća njihova dalja digitalna obrada i jednostavno arhiviranje (slika 8). Digitalni osciloskopi najčešće mogu da automatski vrše mjerenje srednje vrijednosti posmatranog signala, efektivne vrijednosti, amplitude, minimalne i maksimalne vrijednosti, periode, trajanja uzlazne i silazne ivice digitalnih impulsa i tako dalje.

_____________________________________10____________________________________

Savremeni digitalni osciloskopi sve više napuštaju koncept katodne cijevi i sliku prikazuju na displeju baziranom na tečnom kristalu. To omogućava bitno smanjenje dimenzija i težine osiloskopa. Bez obzira na dodatne mogućnosti, osnovni koncepti su kod digitalnihosciloskopa identični kao i kod analognih osciloskopa. Rukovanje digitalnimosciloskopima je gotovo identično rukovanju analognim. Nove mogućnosti su običnojako dobro dokumentovane i lako se koriste.

Slika 7. Osciloskop Textronix TDS 220 [1]

Kod digitalnih osciloskopa, napon proporcionalan promatranoj veličini najprije se pretvara u digitalni oblik putem A/D pretvornika pa se u nastavku obrađuje kao digitalni signal. Digitalni osciloskopi pružaju daleko veće mogućnosti obrade signala od kojih valja istaći spremanje, prijenos i mjerenje. Takvi osciloskopi su ustvari računala posebne namjene i uz njih dakako ide odgovarajuća programska oprema (software). Treba reći da je moguće i obično računalo (PC) uz neke sklopovske i programske dodatke koristiti kao osciloskop.

______________________________________11___________________________________

Slika 8. Osciloskop-računalo [10]

Osim osciloskopa u užem smislu prikaz na zaslonu koriste i mnogi drugi specijalizirani instrumenti od kojih u telekomunikacijama koristimo npr. analizatore spektra, analizatore mreže, reflektometre.

Osciloskopom možemo mjeriti:- Fazni pomak- Periode- Frekvenciju- Napon- Amplitudu......

MJERENJE FREKVENCIJE: Kod promatranja signala sa vecim frekvencijama od 25Hz prikaz na osciloskopu je utoliko mirniji što je frekvencija veca. Postoji gornje ograničenje po frekvenciji mjerenja osciloskopom koje je posljedica njegove konstrukcije i proizvođači daju taj podatak. Osciloskop je utoliko kvalitetniji što je ova gornja granična frekvencija signala koji se može mjeriti veća. Danas su to uglavnom frekvencije 20MHz, 30MHz, 50MHZ ili 100MHz.

___________________________________12______________________________________4. ZAKLJUČAK Digitalni instrumenti se danas koriste dosta vise nego analogni.. Kod digitalnih instrumenata pokazivanje instrumenta ovisi o valnom obliku mjerene veličine, što može prouzrokovati greške prilikom mjerenja. Svaki tip instrumenta ima svoje područje primjene, prednost i nedostatke koje je potrebno poznavati.

5. LITERATURA

[1] - Tektronix TDS 210 and TDS 220 Digital Real-Time Oscilloscopes User Manual, Tektronix, Inc., 1997.[2] - Praktikum za drugi razred elektrotehničara, Igor Prša, Bihać 2011[3] - Električna mjerenja, Elektrotehnički fakultet ,Dejan Popović i Predrag Pejović,Beograd 2006[4] - Praktikum elektrotehnike, Filozofski fakultet u Rijeci, odsjek za politehniku, Rijeka 2007[5] - Princip rada i primena osciloskopa, Elektrotehnički fakultet , Predrag

Pejovic,Beogradu,1999[6] - Mjerna tehnika, analogni i digitalni mjerni instrumenti, Fakultet elektrotehnike i računarstva, Damir Ilić, Zagreb 2013 [7] - Mjerna tehnika, Mašinski fakultet, Nermina Zimović-Uzunović, Zenica 2006[8] - Principles of electrical measurement, Warsaw university of Technology, S.Tumanski,[9] - Mjerenja u elektrotehnici, Elektrotehnički fakultet u Osijeku, Damir Karavidović [10] - Osciloskop slike[11] - The Basics of Digital Multimeters, Patrick C Elliott, January 2010

________________________________________13_________________________________