Číslicové meracie systémy a ich použitie v meracej technike
Tento článok patrí do časti Kolokviálna skúška. Materiály tu uvedené sú prípravou na záverečnú štátnu (kolokviálnu) skúšku v študijnom zameraní Manažérstvo kvality produkcie na Fakulte mechatroniky TnUAD.
Číslicové meracie prístroje
Číslicové meracie prístroje (ČPM) poskytujú hodnotu meranej veličiny v číselnej forme na indikačnom paneli prístroja. ČMP je prístroj, ktorý v procese merania vykonáva operáciu kvantovania meranej veličiny, jej číslicové kódovanie a znázorňuje výsledky merania v číslicovom tvare priamo ako číslo alebo kód. Pri číslicových meracích prístrojoch je stupnica tvorená usporiadaným súborom číslic, ktorý udáva číselnú hodnotu meranej veličiny. Hodnota dielika tvorí najmenšia zmena hodnoty na poslednom desiatkovom mieste, ktorý označujeme ako najmenší digit. Hlavnú informáciu v ČMP môže mať len určitý predom zvolený počet diskrétnych hodnôt (je to dané rozsahom a počtom miest). Meranú veličinu nie je možné merať trvalo, lebo prevod analógovej hodnoty na hodnotu diskrétnu (číselnú) vyžaduje určitý čas.
Medzi najrozšírenejšie ČMP patria:
- voltmetre
- merače frekvencie
- merače časových intervalov
- merače fázy
- prevodníky analógovo – číslicové ,číslicovo – analógové
Hlavné prednosti ČMP
a) Rýchlosť a presnosť čítania veľkosti meranej veličiny
Pri čítaní údajov z analógového meradla musíme najprv skontrolovať polaritu meranej veličiny, potom musíme určiť meraný rozsah, prečítať hodnotu v dielikoch a vynásobiť konštantou. Pritom často dochádza k chybe spôsobenej čítaním z rôznych uhlov. Údaj čítaný z ČMP sa číta i s polohou desatinnej čiarky okamžite spolu s údajom o polarite.
b) Možnosť automatickej voľby polarity a rozsahov
Veľká väčšina ČMP je vybavená automatickým prepínaním rozsahov, čím sa zjednodušuje a zrýchľuje meranie.
c) Presnosť a linearita merania
Klasické analógové meracie prístroje majú presnosť okolo 1 – 0,1%. ČMP merajú bežne s presnosťou 0,1 – 0,001%, to isté platí aj o linearite merania.
d) Potlačenie rušivých signálov
V ČMP sa používajú také metódy číslicovo- analógového prevodu, ktoré bez použitia vstupných filtrov umožňujú potlačiť rušivé signály superponované na meranej veličine. Vhodným usporiadaním vstupných obvodov sa potláčajú aj súhlasné napätia, objavujúce sa na svorkách zdroja meraného napätia.
e) Odolnosť proti preťaženiu
ČMP sú spravidla vybavené obvodmi pre automatickú ochranu proti preťaženiu, takže na ich vstup možno priviesť až tisíckrát väčší signál než odpovedá zvolenému rozsahu. Bezprostredne po odstránení preťaženia je prístroj schopný správne merať.
f) Vstupný odpor
Vstupný odpor u analógových meracích prístrojoch býva bežne 20 – 200kΩ/V. ČMP majú na nižších rozsahoch odpor cca 10000MΩ, na vyšších rozsahoch cca 10MΩ. To má veľký vplyv na presnosť merania, najmä napätí na veľkých impedanciách.
g) Rýchlosť merania
U analógových meracích prístrojoch je rýchlosť merania určená predovšetkým dobou ustálenia ručičky – rádovo sekundy. U ČMP je to iba doba prevodu vstupnej analógovej veličiny na číslicový údaj. Bežné ČMP majú dobu prevodu v rozmedzí 20 – 300 ms, čo umožňuje sledovať pomaly sa meniace signály a pomocou vzorkovacích obvodov i rýchle sa meniace signály a krátke napäťové impulzy.
h) Možnosť záznamu výsledkov merania
Číslicový údaj úmerný meranej veličine je možno vyviesť z ČMP vo forme binárneho kódu a vkladať do procesorov.
i) Možnosť prenosu výsledkov merania na veľké vzdialenosti
Prenos analógových signálov vedením je možný len do určitej vzdialenosti. Na túto vzdialenosť má vplyv veľkosť prenášaného signálu, veľkosť rušenia a útlm vedenia, preto je výhodný ich prevod na binárne signály.
Elektrické veličiny, ktoré môžu ČMP merať
- jednosmerné napätie
- striedavé napätie
- jednosmerný prúd
- striedavý prúd
- odpor
- kapacitu
- indukčnosť
- frekvenciu
- periódu,...
Základné vlastnosti:
- Presnosť
- Potlačenie rušivých signálov
- Vstupná impedancia
- Teplotná a dlhodobá stabilita
Prehľad metód číslicového merania:
- Kompenzačná metóda - túto metódu nazývame tiež aj metódou postupných aproximácií. Patrí k najstarším a dodnes sa používa najmä u rýchlych a/č prevodníkov.
- Metóda pílovitého prevodu -tento spôsob prevodu a/č sa často používal u lacnejších voltmetrov.
- Integračná metóda s medzi prevodom na frekvenciu- merané napätie UX sa najprv prevádza na frekvenciu prevodníkom napätie/frekvencia(U/f). Kmity fX sa potom privádzajú cez hradlo H do čítača po dobu T. Interval T závisí na činnosti časového zdroja. Ak bol čítač na začiatku intervalu T je úmerný meranému napätiu Ux.
- Integračná metóda s medzi prevodom na časový interval
- Integračno- kompenzačná metóda
- Metóda s vyrovnávaním náboja
- Modulácia delta
Princíp ČMP
1, meraná veličina sa prevádza analógovým prevodníkom na 2 možnosti:
- Na jednosmerné elektrické napätie
- Na frekvenciu
2, potom ďalším analógovo / číslicovým prevodníkom na číselný údaj
