Digitální měřicí přístroje

    V současné době mají rozhodující význam v oblasti elektrického měření. Naměřený údaj je zobrazovaný jako dekadické číslo na displeji, který může být z kapalných krystalů – LCD nebo ze sedmisegmentových LED. Nejvíce používané jsou číslicové – digitální – multimetry, osciloskopy a čítače. Možnosti zpracování údajů jsou mnohem širší než u analogových přístrojů. Digitální přístroje mohou být vybaveny doplňkovými funkcemi, např. pamětí minimální nebo maximální hodnoty, propojení s počítačem atd.

    Digitální multimetry se vyrábí pro běžné dílenské měření, které mají srovnatelnou nebo vyšší přesnost než analogové přístroje. Většinou okolo 1 %. Pro možnost sledování spojité výchylky jsou kvalitnější multimetry vybavené sloupcovým ukazatelem – bargrafem. Pro přesné laboratorní měření se vyrábí kvalitní stolní digitální měřicí přístroje. Této kvalitě samozřejmě odpovídá i cena, až do desítek tisíc korun.

    Vlastnosti digitálních měřicích přístrojů jsou v podstatě určené přesností použitých součástek a kvalitou základního číslicového voltmetru, který měří stejnosměrné napětí. Ostatní měřené veličiny musí být na stejnosměrné napětí převedené.

Základní údaje o digitálních přístrojích

    Počet zobrazovaných míst na displeji – jedna za základních vlastností měřicího přístroje. Po zapnutí snadno rozpoznatelná. Displeje většinou zobrazují naměřenou hodnotu, jednotku, určují řád. Mohou mít různý počet míst – digitů. Starší přístroje mívaly 3 – místný displej. Tyto přístroje se už nevyrábějí. Nejčastější jsou displeje 3 a ˝ místné nebo 3 a ž místné. Obecně lze konstatovat, že čím je přístroj přesnější a dokonalejší, má vyšší počet zobrazovaných míst. Přesné laboratorní přístroje mohou mít až 8 a ˝ místný displej. 3 a ˝ místa znamená, že přístroj má rozsahy například 0,2V, 2V, 20V t.j. nejvyšší měřené napětí na rozsahu 2V je 1,999V. 3 a ž místný má rozsahy například 0,4V, 4V, 40V 400V, to představuje max. hodnotu napětí na displeji 399,9V.

    Vstupní rozsahy – běžné dílenské multimetry mají pro každou měřenou veličiny několik rozsahů. Ty jsou voleny tak, aby jejich hodnoty odpovídaly dekadickým násobkům základního rozsahu. Jiné hodnoty rozsahu nejsou možné! Obvykle jsou volené hodnoty od minimální po maximální možnou měřenou hodnotu. Pro stejnosměrné napětí např. 200 mV, 2 V, 20 V, 200 V a 1000 V. Poslední rozsah musí být samozřejmě spočítaný na hodnotu 2000 V, ale toto napětí nelze prakticky přeměřit. Přístroje jsou konstruovány do hodnoty 1000 V, rozsah je 2kV, ale z bezpečnostních důvodů je možné používat přístroj pouze do 1kV.

    Překročení rozsahu – údaj na displeji, jestliže měřená veličina má vyšší hodnotu než zvolený rozsah. Displej v tomto případě zobrazuje většinou I nebo OL.

    Přesnost – tuto hodnotu udává výrobce. U běžných dílenských multimetrů se pohybuje od 0,5 % do 2 – 3 %. Pro stejnosměrné veličiny je téměř vždy přesnost vyšší. Na rozdíl od analogových přístrojů, kde třída přesnosti zahrnuje zpravidla všechny rozsahy, u digitálních multimetrů výrobci určují konkrétní přesnost pro každou skupinu rozsahů. Tyto údaje se většinou od sebe liší. Pro nás, jako uživatele, je to výhodnější, protože se lépe využívá vlastností přístroje. Pravda je, že nás to nutí počítat chybu měření většinou víckrát. Údaje o přesnosti jsou v příbalovém prospektu ve formě tabulek.

    Časová stálost – doba, po kterou by si přístroj měl udržet svoje vlastnosti. Nejméně to musí být záruční doba přístroje, tzn. minimálně 2 roky. V manuálu je uveden kalibrační interval, obvykle 1 rok.

    Rozlišení – vyjadřuje hodnotu nejmenší změny, kterou může měřicí přístroj zobrazit. Je to změna o 1 digit na posledním místě displeje. Tento údaj závisí na zvoleném rozsahu. Např. multimetr na rozsahu 200 mV ( 199,9 mV ) má rozlišení 0,1 mV, tj. 100 ľV. Rozlišení je často vyšší, než udávaná přesnost přístroje. Nikdy se nemůžeme spoléhat, že přístroj z vysokým rozlišením měřené veličiny je automaticky přesnější. Je vždy nutné před použitím přístroje se dobře seznámit s technickými údaji výrobce.

    Citlivost – je daná nejmenší možnou měřenou hodnotou na daném rozsahu. Obecně se odvozuje od rozlišovací schopnosti měřicího přístroje.

    Vstupní impedance – týká se rozsahů pro měření napětí. Jedná se o impedanci vstupního odporového děliče. U naprosté většiny digitálních multimetrů jde o hodnotu 10 MΩ. Pro ostatní rozsahy tyto hodnoty nemají smysl. Vstupní impednace je stejná na všech napěťových rozsazích. Na proudových rozsazích vzniká na multimetru napěťový úbytek asi 0,2V na rozsah.

    Analogově – číslicový převodník – jinak také převodník A/D – nejdůležitější součástka digitálních přístrojů. Je to takové „srdíčko“ přístroje. Určuje základní rozsah měřicího přístroje vždy pouze pro stejnosměrné napětí. Ostatní veličiny musí být na toto napětí předem převedeny. U převodníku je důležitá rychlost měření. U dílenských multimetrů bývá minimálně 3 měření / sekundu.

    Frekvenční pásmo – je důležité pro měření střídavých veličin. Údaj výrobce o rozsahu frekvence měřených veličin. Mimo tyto kmitočty je měření nepřesné. Např. 40 – 400 Hz.

    Programovatelnost – důležité pro možnost užití multimetrů v měřicích systémech. Tuto vlastnost běžné multimetry nemají. Kvalitnější přístroje jsou opatřené seriovým portem ( USB ) pro spojení s počítači.

    Autokalibrace – digitální měřicí přístroj je schopný samočinné korekce změn vstupních parametrů.

Samočinný diagnostický test – u přístroje ve spojení s počítačem a s vhodným softwarem je možné provést kontrolu přesnosti.

    Pro měření střídavých veličin je nutný údaj, jakým způsobem přístroj převádí střídavé veličiny na stejnosměrné napětí. Zda displej zobrazuje efektivní hodnotu měřené veličiny ( RMS ). Ve skutečnosti může měřit efektivní nebo střední hodnotu.

Principy měření

Elektrické napětí

    Digitální měřicí modul ( DMM ) se vyznačuje vysokou vstupní impedancí Z. Výrobci uvádí většinou Z > 100 MΩ. Do modulu tedy neteče téměř žádný proud I_IN. Celková vstupní impedance ( R1 + R2 ) je tedy upravena na 10 MΩ. Pro tuto hodnotu je navržen vstupní dělič napětí. Napětí U_IN je dané základními parametru použitého převodníku, většinou 200 mV nebo 400 mV.

Poměr děliče: U_DC : U_IN = ( R1 + R2 ) : R2

Elektrický proud

    Měřený proud I_DC protéká normálovým rezistorem R_N a vytváří na něm úbytek napětí. Rezistor R_N musí mít přesnou, jednotkovou hodnotu. V tom případě bude číselná hodnota napětí na displeji převodníku odpovídat velikosti měřeného proudu.

Měření odporu

    Měření odporu umožňují všechny vyráběné multimetry. Tyto rozsahy patří mezi běžné vybavení. Při tomto měření je nutné hodnotu odporu převést na hodnotu napětí, kterou může A/D převodník zobrazit na displeji. Pro běžné multimetry je možné použít princip srovnání úbytků napětí, které vzniknou na neznámém a normálovém rezistoru při konstantním, definovaném, proudu nebo lineárním převodem odporu na napětí.

Zjednodušený princip převodu odporu na napětí

    Tato měřicí metody pracuje na principu Ohmova zákona. Normálový rezistor je realizovaný jako přesný dělič jednotkových odporů. Je možné i přepínat zdroj referenčního napětí U_REF.

Vycházíme ze vztahu:

V tomto případě tedy multimetr měří vlastně napětí, které číselnou hodnotou odpovídá hodnotě odporu měřeného rezistoru.

Měření kapacity

    Měření kapacity umožňují jen některé multimetry. Jedná se většinou o měření kapacity nepolarizovaných kondenzátorů. Buďto je kondenzátor je nabíjený ze zdroje konstantního proudu na určenou hodnotu a měří se čas nabíjení nebo obráceně - nabíjí se po konstantní dobu a pak se změří dosažené napětí. V nových multimetrech je toto měření součástí převodníku - pracuje v režimu jednoduché integrace.

zpět