AKADEMIA GÓRNICZO - HUTNICZA
IM. STANISA
AWA STASZICA w KRAKOWIE
WYDZIAA
ELEKTROTECHNIKI, AUTOMATYKI, INFORMATYKI i ELEKTRONIKI
KATEDRA METROLOGII
LABORATORIUM METROLOGII
Wprowadzenie do obsługi multimetrów
analogowych i cyfrowych
dr inż. Piotr Burnos
Kraków, 2013
PrzyrzÄ…dy pomiarowe Laboratorium Metrologii
Spis treści
1. Wstęp ...................................................................................................................................... 3
2. PrzyrzÄ…dy analogowe ............................................................................................................... 3
2.1 Mierniki magnetoelektryczne ................................................................................................ 7
3. Przyrządy cyfrowe  pojęcia podstawowe ................................................................................ 9
3.1 Struktura multimetru ........................................................................................................... 11
3.2 Pomiar napięcia stałego  przetwornik A/C z podwójnym całkowaniem .......................... 12
3.3 Pomiar napięcia zmiennego ................................................................................................. 13
4. Przyczyny błędów i niepewności pomiarowych ...................................................................... 15
4.1 BÅ‚Ä…d graniczny pomiaru przyrzÄ…dem analogowym.............................................................. 17
4.2 BÅ‚Ä…d graniczny pomiaru przyrzÄ…dem cyfrowym .................................................................. 18
Bibliografia
.................................................................................................................................... 20
2
Katedra Metrologii i Elektroniki AGH dr inż. Piotr Burnos
 Laboratorium Metrologii PrzyrzÄ…dy pomiarowe
1. Wstęp
Ze względu na zasadę działania stosowane obecnie przyrządy można podzielić na analogowe
i cyfrowe. Do grupy przyrządów analogowych zaliczamy wskazówkowe urządzenia
elektromechaniczne. Mierniki tego typu wciąż znajdują się w powszechnym użyciu i pomimo, iż
technika cyfrowa dynamicznie wypiera analogowe techniki pomiaru to należy zaznaczyć, że te
ostatnie wciąż mają liczną grupę zwolenników. Argumentami przemawiającymi za używaniem
przyrządów analogowych jest ich niezawodność, prosta budowa, niska cena, a przede wszystkim
ciągła zmienność wskazania przyrządu. Z psychofizycznego punktu widzenia zjawiska ciągłe są dla
ludzi bardziej intuicyjne niż dyskretne i prawdopodobnie z tego powodu próby zastąpienia
tradycyjnych przyrządów wskazówkowych ich cyfrowymi odpowiednikami w przypadku samochodów
skończyły się niepowodzeniem. Ponadto istotną zaletą większości przyrządów analogowych jest praca
bez konieczności zewnętrznego zasilania. Do podstawowych wad przyrządów analogowych należy
zaliczyć dużą niepewność pomiaru, oraz błąd odczytu wyniku pomiaru z podziałki miernika przez
człowieka (błąd paralaksy). Ponadto mierniki takie nie mogą być podłączane do komputerowych
systemów pomiarowych ze względu na brak cyfrowego sygnału wyjściowego. Rezystancja
wewnętrzna woltomierzy analogowych jest dużo mniejsza niż cyfrowych. Powoduje to znaczący
wpływ przyrządu analogowego na badany obiekt, a w konsekwencji zakłócenie pomiaru.
W przypadku przyrządów cyfrowych problem ten w zasadzie nie występuje, gdyż rezystancja
wewnÄ™trzna woltomierzy cyfrowych zawiera siÄ™ w zakresie od 10M© do 10G©. MaÅ‚a niepewność
wyniku pomiaru jest parametrem przemawiającym na korzyść przyrządów cyfrowych  w zależności
od mierzonej wielkości, może być do kilku razy mniejsza niż w przypadku pomiaru przyrządem
analogowym. Co więcej w przyrządach cyfrowych nie występuje dodatkowa niepewność związana ze
zjawiskiem paralaksy, gdyż wynik jest odczytywany z wyświetlacza wielosegmentowego. Co ciekawe
spotykane są również cyfrowe przyrządy tablicowe z wirtualną wskazówką, łączące w sobie zalety
dokładnego pomiaru cyfrowego z analogowym odczytem wartości wielkości mierzonej.
2. PrzyrzÄ…dy analogowe
Przyrządami analogowymi nazywa się przyrządy, których wskazania są funkcją ciągłą wartości
mierzonej (Chwaleba, Poniński i Siedlecki 2000). Do tej grupy należą wskazówkowe przyrządy
elektromechaniczne. Podzespół miernika, w którym pod wpływem wielkości mierzonej następuje
odchylenie wskazówki nazywa się ustrojem pomiarowym. Rozróżnia się między innymi ustroje:
magnetoelektryczne, elektromagnetyczne, elektrodynamiczne, ferrodynamiczne i elektrostatyczne.
Różnią się one między sobą nie tylko zasadą działania i budową, ale także właściwościami
metrologicznymi.
W miernikach odczyt wartości wielkości mierzonej następuje na podziałce, czyli
uporządkowanym ciągu działek oznaczonych cyframi. Odcinek podziałki objęty dwiema sąsiednimi
kreskami nazywa się działką elementarną. Długość podziałki jest związana z klasą miernika, a liczba
działek może wynosić od kilkunastu do ponad stu. Odczyt wartości wskazań przyrządów
wskazówkowych dokonuje się bezpośrednio w jednostkach wielkości mierzonej lub pośrednio przez
odczyt liczby działek odchylenia wskazówki.
3
Katedra Metrologii i Elektroniki AGH
dr inż. Piotr Burnos
PrzyrzÄ…dy pomiarowe Laboratorium Metrologii
Rysunek 1 Analogowy woltomierz magnetoelektryczny.
Pierwszy sposób jest charakterystyczny dla mierników technicznych i uniwersalnych, drugi dla
wielozakresowych mierników laboratoryjnych. W takim przypadku odczytuje się liczbę działek ą
wskazywanych przez wskazówkę, które następnie przelicza się na wartość wielkości mierzonej x za
pomocą tak zwanej stałej zakresowej przyrządu cx, według zależności:
x = Ä… Å" cx [ j.] (1)
gdzie [j.] oznacza jednostkę wielkości x. Stałą zakresową cx oblicza się na podstawie danych
technicznych miernika, jako iloraz zakresu pomiarowego Zx oraz całkowitej liczby działek na danej
skali Ä…m .
Z
x
cx = [j.dz.] (2)
Ä…m
Pamiętaj!
Jeżeli podziałka miernika nie jest wyskalowana w jednostkach wielkości
mierzonej to przed przystąpieniem do pomiarów należy policzyć i zanotować
stałe dla wszystkich zakresów miernika. W takim przypadku wskazanie
miernika odczytujemy i notujemy w działkach, jednocześnie zapisując stałą
zakresową. Dopiero na tej podstawie obliczamy wartość wielkości mierzonej.
Odczyt wyniku pomiaru w przyrządach analogowych może być obarczony błędem paralaksy,
który wystÄ™puje w przypadku, gdy obserwator patrzy na skalÄ™ miernika pod kÄ…tem innym niż 90°
przez co widzi niewłaściwe położenie wskazówki na tle podziałki. W celu ograniczenia tego błędu, na
skalę miernika należy patrzeć prostopadle  w niektórych miernikach pomaga w tym lustro
umieszczone wzdłuż podziałki. W takim przypadku obserwator powinien zwrócić uwagę na to, aby
wskazówka pokryła się ze swoim odbiciem w lustrze.
4
Katedra Metrologii i Elektroniki AGH dr inż. Piotr Burnos
 Laboratorium Metrologii PrzyrzÄ…dy pomiarowe
Dokładny odczyt wartości wskazanej przez miernik jest możliwy tylko wtedy, gdy położenie
wskazówki dokładnie pokrywa się z kreską podziałki. Jeżeli wskazówka znajduje się między kreskami,
należy oszacować jej położenie z dokładnością 0.1 działki elementarnej dla przyrządów
laboratoryjnych i 0.2 działki dla przyrządów klas technicznych. Najmniejsza cześć działki elementarnej
jaką można odczytać nazywa się zdolnością rozdzielczą podziałki.
Pamiętaj!
Odczytu położenia wskazówki w laboratoryjnych przyrządach analogowych
należy dokonywać starannie, bez błędu paralaksy i z dokładnością do
dziesiątej części działki elementarnej.
Przykład 1: Woltomierzem o danych technicznych: ZU=15V, ąm=150 dz., zmierzono napięcie
uzyskując wychylenie wskazówki o ą=87 działek. Oblicz wartość zmierzonego napięcia.
Zx 15
cU = = = 0,1 [V dz.]
Ä…m 150
U = Ä… Å" cU = 87 Å" 0,1= 8,7 [V]
W celu poinformowania użytkownika o rodzaju miernika i jego właściwościach metrologicznych,
zgodnie z normą (PN 92/E 06501/01) na skali lub obudowie powinny być umieszczone następujące
dane:
" symbol legalnej jednostki wielkości mierzonej (np. A  Amper, V  Wolt, W  Wat,
©  Om),
" symbol rodzaju miernika (ustroju pomiarowego),
" symbol klasy dokładności,
" symbol rodzaju prądu (stały lub zmienny) i liczby ustrojów pomiarowych,
" symbol napięcia probierczego obwodów pomiarowych względem obudowy,
" nazwa lub znak wytwórcy i numer fabryczny.
W tabeli 1 zebrano najczęściej spotykane symbole umieszczane na przyrządach analogowych.
Więcej informacji na ten temat można znalez
ć w (Chwaleba, Poniński i Siedlecki 2000) lub w normie
(PN 92/E 06501/01).
5
Katedra Metrologii i Elektroniki AGH
dr inż. Piotr Burnos
PrzyrzÄ…dy pomiarowe Laboratorium Metrologii
Tabela 1 Symbole umieszczane na miernikach analogowych
Symbol Znaczenie
Miernik magnetoelektryczny
Miernik magnetoelektryczny z przetwornikiem
prostownikowym
Miernik elektromagnetyczny
Miernik elektrodynamiczny
Miernik ferrodynamiczny
Miernik prądu stałego
Miernik prÄ…du przemiennego
Miernik prądu stałego i przemiennego
Pionowe położenie miernika
Poziome położenie miernika
Napięcie probiercze izolacji miernika, np. 2kV
Symbol klasy dokładności (np. 0,5) w przypadku gdy
niepewność pomiaru wyraża się w procentach końcowej
wartości zakresu pomiarowego
Symbol klasy dokładności (np. 0,5) w przypadku gdy
niepewność pomiaru wyraża się w procentach wartości
wielkości mierzonej
Najważniejszą częścią każdego przyrządu analogowego jest ustrój pomiarowy, składający się z
części nieruchomej oraz części ruchomej nazywanej organem ruchomym. Organ ruchomy, połączony
ze wskazówką, wykonuje ruch obrotowy pod wpływem działających na niego sił magnetycznych,
które powstają np. w skutek oddziaływania pola magnetycznego magnesu trwałego na prąd płynący
w cewce organu ruchomego, lub w skutek oddziaływania pól wytworzonych przez prądy płynące w
dwóch cewkach. Powstający w ten sposób moment działający na organ ruchomy nazywa się
momentem napędowym. Aby kąt o jaki obróci się organ ruchomy był zależny od wielkości mierzonej,
a wskazanie miernika było ustalone i proporcjonalne do wartości mierzonej wielkości, moment
napędowy musi być zrównoważony przeciwnie skierowanym momentem zwracającym. Najczęściej
moment ten jest wytwarzany przez sprężynki spiralne, które jednocześnie doprowadzają prąd do
ustroju ruchomego. W stanie równowagi, organ ruchomy, a tym samym wskazówka miernika
przyjmuje takie położenie, w którym suma momentów działających na organ ruchomy jest równa
zero. Poniżej zostanie omówiona zasada działania miernika magnetoelektrycznego. Omówienie
6
Katedra Metrologii i Elektroniki AGH dr inż. Piotr Burnos
 Laboratorium Metrologii PrzyrzÄ…dy pomiarowe
mierników o innych ustrojach, np. elektromagnetycznym można znalez
ć w (Tumański 2007),
(Chwaleba, Poniński i Siedlecki 2000), (Kurdziel 1973).
2.1 Mierniki magnetoelektryczne
Zasada działania miernika magnetoelektrycznego polega na oddziaływaniu pola magnetycznego
magnesu trwałego na cewkę organu ruchomego, przez którą płynie prąd. Na rysunku 2
przedstawiono budowÄ™ ustroju magnetoelektrycznego.
Rysunek 2 Budowa ustroju magnetoelektrycznego.
Część nieruchomą tego ustroju stanowi magnes trwały (1) oraz walec (2) umieszczony między
biegunami magnesu. Walec i nabiegunniki (3) magnesu trwałego wykonane są ze stali magnetycznie
miękkiej i są tak położone względem siebie aby powstała równomierna szczelina powietrzna między
nabiegunnikami. Organem ruchomym jest nawinięta na aluminiowej ramce cewka (4), która
umieszczona jest w szczelinie (cewka może być również wykonana bez ramki, a jej sztywność
zapewnia pokrycie lakierem). Cewka osadzona jest na osi do której dołączona jest wskazówka (5).
Prąd do cewki doprowadzony jest za pośrednictwem dwóch sprężyn spiralnych (6), które
jednocześnie służą do wytwarzania momentu zwracającego.
Gdy przez cewkę płynie prąd I, to pole magnetyczne wytworzone przez magnes trwały działa na
każdy bok cewki siłą F, która zależy od indukcji magnetycznej B, liczby zwojów cewki z, oraz długości
boku cewki l, który znajduje się w polu magnetycznym:
F = z Å" BÅ" I Å"l (3)
Siły działające na przeciwległe boki cewki mają przeciwne zwroty i usiłują obrócić cewkę wokół jej
osi co na ramieniu d/2 prowadzi do powstania momentu napędowego:
d
M = 2 Å" F Å" = z Å" B Å" I Å" l Å" d (4)
2
7
Katedra Metrologii i Elektroniki AGH
dr inż. Piotr Burnos
PrzyrzÄ…dy pomiarowe Laboratorium Metrologii
Moment napędowy równoważony jest przez moment zwracający wytworzony przez sprężyny
spiralne, który jest proporcjonalny do kÄ…ta obrotu Õ ustroju ruchomego, oraz staÅ‚ej sprężyny k:
M = Õ Å" k (5)
z
Cewka, a tym samym wskazówka miernika ustawia się w położeniu, w którym oba momenty
równoważą się:
M = M (6)
z
skąd po podstawieniu można wykazać, że:
z Å" B Å" I Å" l Å" d
Õ = = c Å" I (7)
k
Ze wzoru (7) wynika więc, że kąt wychylenia organu ruchomego jest proporcjonalny do prądu
płynącego przez cewkę. Przy zmianie zwrotu prądu zmienia się również zwrot momentu napędowego
i wskazówka wychyla się w stronę przeciwną.
Pamiętaj!
Miernik magnetoelektryczny jest typowym miernikiem prądu stałego
reagującym na zwrot przepływu prądu, czyli na biegunowość włączenia. Z tego
powodu zaciski mierników magnetoelektrycznych są oznaczone symbolami
biegunów dodatniego i ujemnego.
W przypadku włączenia miernika magnetoelektrycznego w obwód prądu okresowo zmiennego,
kierunek sił działających na cewkę, a tym samym kierunek momentu napędowego zmienia się
proporcjonalnie do wartości chwilowej natężenia prądu. Ze względu na dużą bezwładność
mechaniczną organu ruchomego miernika (okres drgań własnych T0: 0,2  2 s), przyjmuje on
położenie odpowiadające wartości średniej momentu. Na przykład, przy przepływie przez miernik
sieciowego prądu przemiennego o częstotliwości 50Hz (T=0.02 s), wartość średnia momentu
napędowego jest równa zero i wskazówka nie wychyla się. Jeżeli jednak prąd przemienny ma
składową stałą, to wskazanie miernika będzie równe wartości tej składowej.
Pamiętaj!
Miernik magnetoelektryczny włączony w obwód prądu okresowo zmiennego o
okresie T<8
Katedra Metrologii i Elektroniki AGH dr inż. Piotr Burnos
 Laboratorium Metrologii PrzyrzÄ…dy pomiarowe
Mierniki o ustroju magnetoelektrycznym sÄ… budowane jako amperomierze, woltomierze i
omomierze. Ze względu na małe wymiary i masę organu ruchomego dopuszczalny prąd płynący przez
cewkę nie przekracza kilkunastu miliamperów. Do pomiaru większych natężeń prądu należy stosować
boczniki (Chwaleba, Poniński i Siedlecki 2000).
Przedstawiony opis dotyczy miernika magnetoelektrycznego o ruchomej cewce, gdyż takie
mierniki występują najczęściej. Należy jednak pamiętać, że budowane są również mierniki o
ruchomym magnesie.
3. Przyrządy cyfrowe  pojęcia podstawowe
Pierwsze przyrządy cyfrowe były budowane z przeznaczeniem do pomiaru konkretnej wielkości
fizycznej; np. napięcia lub rezystancji. Jednak już w latach 70 ch XX wieku, intensywny rozwój
elektroniki półprzewodnikowej, a w szczególności układów cyfrowych pozwolił na integrację rożnych
funkcji w jednym urzÄ…dzeniu. Multimetrami nazywa siÄ™ uniwersalne, wielofunkcyjne przyrzÄ…dy
pomiarowe umożliwiające pomiar kilku wielkości fizycznych. Od momentu pojawienia się
multimetrów na rynku ich ekspansja w różnych dziedzinach techniki jest bardzo duża i trwa do dziś.
Obecnie producenci prześcigają się pomysłowością, szybkością działania i dokładnością pomiarów
oferując pełną gamę multimetrów cyfrowych. Ich popularność sprawia, że w potocznym rozumieniu
terminem multimetr określa się również przyrząd cyfrowy przeznaczony do pomiaru tylko jednej
wielkości. Przyrządy cyfrowe możemy podzielić na:
" tablicowe,
" przenośne przyrządy uniwersalne,
" dokładne przyrządy laboratoryjne,
" wirtualne przyrzÄ…dy pomiarowe.
Rysunek 3 Multimetr cyfrowy.
Cyfrowe przyrządy tablicowe wykorzystuje się głównie do kontroli wartości danej wielkości
fizycznej. Są budowane jako woltomierze, amperomierze, lub umożliwiają pomiar obydwu tych
wielkości. Wynik pomiaru przyrządem tablicowym obarczony jest dużą niepewnością, jednak jest ona
mniejsza niż w przypadku tablicowych przyrządów analogowych. Wynik pomiaru wyświetlany jest w
postaci numerycznej. Coraz częściej można również spotkać tablicowe przyrządy cyfrowe symulujące
ruch wskazówki analogowej. Przenośne przyrządy uniwersalne o wewnętrznym zasilaniu, są
przeznaczone do pomiarów wykonywanych w terenie. Zazwyczaj budowane są jako multimetry co
9
Katedra Metrologii i Elektroniki AGH
dr inż. Piotr Burnos
PrzyrzÄ…dy pomiarowe Laboratorium Metrologii
znacznie zwiększa ich uniwersalność. Niepewność pomiaru multimetrem przenośnym plasuje się
pośrodku stawki przyrządów cyfrowych. Odrębną klasę stanowią mierniki laboratoryjne. Cechuje je
bardzo mała niepewność pomiaru nawet poniżej 0,0001%. Wymagają stacjonarnego trybu pracy w
ustalonych warunkach otoczenia i sÄ… zasilane z sieci elektrycznej. PrzyrzÄ…dy laboratoryjne sÄ…
budowane jako multimetry, oraz mierniki o konkretnym przeznaczeniu, np.: częstościomierze, mostki
RLC, kalibratory napięć, itp. Inną grupę nowoczesnych przyrządów pomiarowych stanowią tak zwane
wirtualne przyrządy pomiarowe, które są kombinacją komputera wyposażonego w odpowiednie
oprogramowanie z przyrzÄ…dami pomiarowymi nowej generacji (np. karty pomiarowe). PrzyrzÄ…d
wirtualny może być budowany przez użytkownika, który definiuje jego funkcje i interfejs konstruując
odpowiedni program.
Podana klasyfikacja jest bardzo ogólna i nie obejmuje przyrządów przeznaczonych do ściśle
określonych zadań. Na przykład dla przemysłu motoryzacyjnego budowane są multimetry
samochodowe, do pomiarów linii telefonicznych multimetry telekomunikacyjne, do pracy w trudnych
warunkach, np. pod ziemią multimetry górnicze, a do obserwacji kształtu sygnałów multimetry
graficzne.
Ze względu na zdolność do programowania multimetry dzielimy na nieprogramowalne i
programowalne. Multimetry nieprogramowalne charakteryzujÄ… siÄ™ ograniczonym, ustalonym przez
producenta zbiorem funkcji pomiarowych, tak jak np.: większość przenośnych mierników
uniwersalnych. Multimetry programowalne zawierajÄ… w strukturze systemy mikroprocesorowe i
dzięki temu mogą wypełniać wiele funkcji pomiarowych, które programowane są przez użytkownika
za pomocą zewnętrznej klawiatury. Dzięki temu multimetr programowalny może realizować np.
wykonywanie złożonych procedur pomiarowych, agregację i analizę danych, filtrację cyfrową
mierzonych sygnałów i wiele innych. Cyfrowe multimetry programowalne są zazwyczaj przewidziane
do podłączenia do systemu pomiarowego za pośrednictwem odpowiedniego interfejsu, np. GPIB, RS
232C, USB. Interfejs służy nie tylko do przesyłania danych pomiarowych do urządzenia nadrzędnego,
ale również do sterowania pracą multimetru.
Do podstawowych parametrów multimetrów należy zaliczyć liczbę cyfr znaczących, rozdzielczość
(czułość) oraz niepewność pomiaru, która będzie omówiona w dalszej części instrukcji.
Liczba cyfr znaczących oznacza ile pełnych cyfr (z zakresu od 0 do 9) może być pokazanych na
wyÅ›wietlaczu miernika. Dodatkowe oznaczenie uÅ‚amkowe w postaci ½ lub ¾ oznacza, że na
najbardziej znaczącej pozycji wyświetlacza może pojawić się cyfra z zakresu 0 do 1 lub 0 do 3.
PrzykÅ‚ad 2: W mierniku cyfrowym o liczbie cyfr znaczÄ…cych 4½, najbardziej znaczÄ…ca pozycja
wyświetlacza może przyjmować wartości 0 lub 1, a pozostałe 0, 1, & , 9. Innymi słowy maksymalne
wskazanie multimetru o 4½ cyfry wynosi 19999.
W przypadku miernika 4¾, najbardziej znaczÄ…ca pozycja wyÅ›wietlacza może przyjmować wartoÅ›ci
0, 1, 2, 3, a pozostałe 0, 1, & , 9, tym samy maksymalne wskazanie wynosi 39999.
10
Katedra Metrologii i Elektroniki AGH dr inż. Piotr Burnos
 Laboratorium Metrologii PrzyrzÄ…dy pomiarowe
Oznaczenia ułamkowe nie mają niestety jednoznacznej interpretacji. W nowych przyrządach
laboratoryjnych dodatkowe  pół cyfry wynika z możliwości przekroczenia zakresu pomiarowego o
20%. Na przykład, największa liczba zapisana za pomocą 4 cyfr to 9999, co daje 10000 kombinacji
liczb (od 0 do 9999). Zakres 10000 można przekroczyć o 20% czyli o 2000. Zatem maksymalne
wskazanie multimetru 4½ cyfry wynosi 9999+2000 czyli 11999. Analogicznie maksymalne wskazanie
multimetru 6½ to 1199999.
Rozdzielczość miernika cyfrowego to najmniejsza wartość jaka może być wyświetlona na danym
zakresie pomiarowym i odpowiada najmniej znaczącej cyfrze wyświetlacza. Często definicja ta jest
rozumiana jako iloraz najmniejszej wartości jaka może być wyświetlona na danym zakresie do
wartości tego zakresu. Stąd rozdzielczość może być również rozumiana jako odwrotność
maksymalnego wskazania i może być wyrażona w procentach, bitach lub ppm (częściach
milionowych).
PrzykÅ‚ad 3: multimetr 4½ może znajdować siÄ™ w 12000 stanach (0 do 11999) zatem jego
rozdzielczość wynosi 0.01%, 100ppm lub 14 bitów (2^13 + bit znaku).
Z rozdzielczością związana jest czułość przyrządu, która wyraża jego zdolność do reagowania na
najmniejszą zmianę wielkości mierzonej. Czułość jest podawana w jednostkach wielkości mierzonej.
PrzykÅ‚ad 4: multimetr 6½ cyfry na zakresie pomiarowym 1V ma czuÅ‚ość 1źV. TakÄ… samÄ… czuÅ‚ość
ma również multimetr 4½ cyfry na zakresie 10 mV.
3.1 Struktura multimetru
Na rysunku 4 przedstawiono schemat blokowy przyrządu cyfrowego (Tumański 2007). Funkcja
obwodów wejściowych zmienia się w zależności od funkcji realizowanej przez multimetr.
W przypadku woltomierza, obwody wejściowe to dzielniki napięcia, a w amperomierzu to boczniki
prądu. Obwody te umożliwiają zmianę zakresu pomiarowego. Jeżeli multimetr pracuje jako
omomierz, zadaniem obwodów wejściowych jest zapewnienie odpowiedniego zasilania badanej
rezystancji.
Rysunek 4 Struktura multimetru cyfrowego.
11
Katedra Metrologii i Elektroniki AGH
dr inż. Piotr Burnos
PrzyrzÄ…dy pomiarowe Laboratorium Metrologii
Rolą układu sterowania jest nadrzędne zarządzanie procesem pomiaru, a więc między innymi:
automatyczny dobór zakresu, wyzwalanie cyklu pomiarowego, zapisywanie wyniku do pamięci.
Niekiedy droższe przyrządy są wyposażone w interfejsy umożliwiające włączenie multimetru w
strukturę większego systemu pomiarowego, np.: GPIB, RS 232C, USB. Sercem każdego przyrządu
cyfrowego jest przetwornik analogowo  cyfrowy.
3.2 Pomiar napięcia stałego  przetwornik A/C z podwójnym całkowaniem
Praktycznie w każdym multimetrze ogólnego przeznaczenia do pomiaru napięcia stałego stosuje
siÄ™ przetworniki integracyjne. O ile w prostych multimetrach uniwersalnych sÄ… to przetworniki o
podwójnym całkowaniu, o tyle w dokładnych przyrządach laboratoryjnych stosuje się metody
całkowania wielokrotnego. Na rysunku 5, przedstawiono schemat blokowy przetwornika z
podwójnym całkowaniem, oraz przebiegi czasowe.
Rysunek 5 Zasada działania przetwornika z podwójnym całkowaniem.
Przetwornik taki działa w dwóch cyklach. W pierwszym cyklu na wejście układu całkującego
podawane jest napięcie mierzone Ux przez ściśle określony czas T1, który wyznaczony jest przez liczbę
impulsów N1 generowanych z częstotliwością fg. Napięcie po scałkowaniu wynosi:
T1
1 T1 N1
Ui = Å" Å" dt = Å"Ux =
x
+"U R Å" C R Å" C Å" fg Å"Ux (8)
R Å" C
0
W drugim cyklu pomiarowym na wejście integratora doprowadza się napięcie odniesienia o
określonej wartości Ur lecz przeciwnej polaryzacji niż Ux. Licznik zlicza impulsy po raz drugi do chwili,
kiedy komparator wykryje, że wartość napięcia Ui wynosi zero:
12
Katedra Metrologii i Elektroniki AGH dr inż. Piotr Burnos
 Laboratorium Metrologii PrzyrzÄ…dy pomiarowe
T2
1 T2 - T1 N2 - N1
Ui = Å" )Å" dt = - Å"Ur = - Å"Ur
(9)
r
+"(-U
R Å" C R Å" C R Å" C Å" fg
T1
Przyjmując, że Tx = T2 - T1 oraz N = N2 - N1 otrzymujemy:
x
N
x
Ui = - Å"U (10)
r
R Å" C Å" f
g
Skąd po porównaniu powyższych wyrażeń mamy:
N1
N = - Å"U (11)
x x
U
r
Liczba zmierzonych impulsów Nx w drugim cyklu pomiarowym, jest proporcjonalna do wartości
(średniej) napięcia mierzonego Ux w czasie T1, liczby impulsów N1 (którą możemy ustalić precyzyjnie)
oraz do wartości napięcia wzorcowego Ur, które znamy. Zaletą metody jest to, że Nx nie zależy od
wartości elementów R i C ani od częstotliwości generatora. Ponadto ważną cechą przetwarzania
integracyjnego jest duża odporność na zakłócenia przemienne o okresie równym czasowi
całkowania T1 (lub jego podwielokrotności), które mogą wystąpić w mierzonym napięciu Ux.
Ponieważ podstawowym z
ródłem zakłóceń jest sieć zasilająca, czas T1 dobiera tak, aby był równy
okresowi napięcia sieci zasilającej (w Europie 20 ms, a w USA 16 ms) lub całkowitej wielokrotności
tego okresu. W ten sposób zyskujemy eliminację trudnych do usunięcia zakłóceń o częstotliwości
sieci, gdyż wartość średnia takiego napięcia za okres wynosi zero. Jednocześnie jednak taki dobór
czasu całkowania wydłuża proces przetwarzania A/C co należy uznać za wadę metody. Skrócenie
czasu całkowania jest możliwe poprzez zastosowanie metody wielokrotnego całkowania. Dokładny
opis takich przetworników można znalez
ć w każdym podręczniku do metrologii, np. w (Chwaleba,
Poniński i Siedlecki 2000), (Tumański 2007), (Piotrowski 1997).
3.3 Pomiar napięcia zmiennego
W przypadku pomiarów sygnałów przemiennych w czasie podstawowym parametrem
mierzonym jest wartość skuteczna. Stąd w torze pomiaru napięć lub prądów przemiennych
występuje przetwornik AC/DC, na wyjściu którego występuje sygnał o wartości proporcjonalnej do
wartości skutecznej sygnału mierzonego.
W multimetrach starszego typu stosowano przetworniki, które mierzyły wartość średnią
wyprostowaną sygnału, ale wyskalowane były w wartościach skutecznych. W takim przypadku
poprawny pomiar był możliwy jedynie dla sygnału sinusoidalnie zmiennego, dla którego znana jest
wartość współczynnika kształtu łączącego ze sobą wartość skuteczną z wartością średnią sygnału:
Ä„
U = Å"U E" 1,11Å"U (12)
sk sr sr
2 Å" 2
13
Katedra Metrologii i Elektroniki AGH
dr inż. Piotr Burnos
PrzyrzÄ…dy pomiarowe Laboratorium Metrologii
Przy pomiarach sygnałów o kształtach różnych od sinusoidy metoda ta wprowadza błąd, który
jest proporcjonalny do różnicy między współczynnikiem kształtu danego sygnału, a sygnału
sinusoidalnego. Na przykład, jeżeli sygnał ma kształt trójkątny to pomiar wartości skutecznej
miernikiem z przetwornikiem wartości średniej wyprostowanej jest obarczony błędem równym 4%, a
dla sygnału prostokątnego błędem 11%.
Rzadziej można spotkać multimetry, które realizują pomiar wartości skutecznej w oparciu o jej
interpretację fizyczną, która mówi, że (Bolkowski 1998): wartością skuteczną prądu okresowego
nazywamy taką wartość prądu stałego, który przepływając przez niezmienną rezystancję R w czasie
okresu T, spowoduje wydzielenie na tej rezystancji takiej samej ilości ciepła, co prąd okresowo
zmienny w tym samym czasie. Przetworniki wykorzystujÄ…ce zjawiska cieplne prÄ…du elektrycznego
należą do najdokładniejszych przetworników wartości skutecznej, jednak ich zastosowanie jest
ograniczone ze względu na wysoką cenę.
W nowoczesnych multimetrach pomiar wartości skutecznej jest realizowany w oparciu o
definicjÄ™:
T
1
2
U = Å" (t)Å" dt (13)
sk
+"u
T
0
Jest to możliwe dzięki monolitycznym wzmacniaczom operacyjnym, które na drodze operacji
matematycznych na sygnale analogowym realizują definicyjne wyznaczanie wartości skutecznej
według wzoru (13). Sygnał wyjściowy takich przetworników jest proporcjonalny do wartości
skutecznej sygnału wejściowego, w szerokim zakresie odkształceń tego sygnału od sinusoidy.
Przyrządy z przetwornikami działającymi w oparciu o definicję wartości skutecznej (a nie wartość
średnią wyprostowaną!) oznacza się symbolem  TrueRMS (True Root Mean Square) dla
podkreślenia, że mierzą prawdziwą wartość skuteczną sygnałów o różnych kształtach.
Należy jednak pamiętać, że termin TrueRMS odnosi się wyłącznie do rodzaju zastosowanego
przetwornika i nie ma związku z rodzajem sprzężenia na wejściu przyrządu, tzn. eliminacją składowej
stałej. Ponieważ w multimetrach laboratoryjnych obwody wejściowe torów prądu przemiennego AC,
są zwykle oddzielone od wejścia kondensatorem, to przyrządy te umożliwiają pomiar wartości
skutecznej sygnałów bez składowej stałej. Wyznaczenie wartości skutecznej sygnału zmiennego ze
składową stałą wymaga, wykonania dwóch niezależnych pomiarów, dla prądu stałego DC i
przemiennego AC. W takim przypadku wartość skuteczną oblicza się według zależności:
2 2
U = U + U (14)
AC +DC AC DC
Jeżeli przyrząd posiada oznaczenie TrueRMS AC+DC, to mierzy poprawnie wartość skuteczną
sygnału ze składową stałą. Funkcję taką realizuje coraz więcej nowoczesnych multimetrów
laboratoryjnych.
14
Katedra Metrologii i Elektroniki AGH dr inż. Piotr Burnos
 Laboratorium Metrologii PrzyrzÄ…dy pomiarowe
Pamiętaj!
W starszych multimetrach lub takich, które nie posiadają oznaczenia TrueRMS
może być zastosowany przetwornik wartości średniej wyprostowanej. W takim
przypadku należy zachować szczególną ostrożność przy pomiarze wartości
skutecznej sygnałów innych niż sinusoidalne.
Jeżeli multimetr posiada oznaczenie TrueRMS, to mierzy on poprawnie wartość
skuteczną sygnałów o dowolnym kształcie bez składowej stałej. Uwzględnienie
tej składowej w pomiarze wymaga zastosowania procedury opisanej powyżej i
wzoru (14).
Jeżeli multimetr posiada oznaczenie TrueRMS AC+DC oznacza to, że mierzy on
poprawnie wartość skuteczną sygnałów o dowolnym kształcie i składowej
stałej.
Szczegółowych informacji na temat pomiaru wartości skutecznej sygnału należy szukać w
instrukcji obsługi przyrządu. Nie można sugerować się jedynie oznaczeniami na obudowie!
Obecnie mierniki cyfrowe poprawnie wskazują wartość skuteczną sygnałów o współczynniku
szczytu do 5 (współczynnik szczytu to stosunek wartości szczytowej do skutecznej sygnału i
charakteryzuje stopień odkształcenia sygnału od sinusoidy).
4. Przyczyny błędów i niepewności pomiarowych
Otrzymany na drodze doświadczalnej wynik pomiaru dowolnej wielkości fizycznej zawsze różni
się od wartości rzeczywistej tej wielkości. Wartość rzeczywista jest pojęciem abstrakcyjnym i nie jest
znana eksperymentatorowi (gdyby była znana to pomiar byłby niepotrzebny). Pomiar pozwala zatem
na znalezienie przybliżonych wartości wielkości mierzonej, a więc każdy wynik pomiaru obarczony
jest niepewnością, która wynika z:
" ograniczonej dokładności przyrządów pomiarowych,
" ograniczeń wynikających z zastosowanej metody pomiarowej,
" niedoskonałości zmysłów obserwatora,
" wpływu innych czynników, które zakłócają pomiar.
Ograniczona dokładność przyrządów pomiarowych wynika z właściwości materiałów użytych do
ich budowy, niedoskonałości wykonania elementów składowych i niedokładności wzorcowania. Nie
istnieją więc idealne przyrządy pomiarowe, a jedynie takie które posiadają ograniczoną dokładność
charakteryzowaną przez błąd graniczny "gr. Błąd graniczny wyznacza największą wartość błędu
wskazania, jaka może wystąpić w dowolnym punkcie zakresu pomiarowego przyrządu w przypadku
jego poprawnego użytkowania w warunkach odniesienia. Do najważniejszych parametrów
15
Katedra Metrologii i Elektroniki AGH
dr inż. Piotr Burnos
PrzyrzÄ…dy pomiarowe Laboratorium Metrologii
charakteryzujących warunki odniesienia należy zaliczyć: temperaturę, ciśnienie, wilgotność, brak
wstrząsów, wibracji i innych zakłóceń (np. elektromagnetycznych).
Ograniczenia wynikajÄ…ce z zastosowanej metody pomiarowej wynikajÄ… przede wszystkim z
oddziaływania przyrządów pomiarowych na wielkość mierzoną lub zjawisko będące z
ródłem tej
wielkości i są nazywane błędem metody. Przykładem może być włączenie amperomierza co zmienia
rozkład prądów i napięć w badanym obwodzie lub zainstalowanie termometru, który zmienia rozkład
pola temperaturowego.
Niedoskonałość zmysłów obserwatora powoduje wprowadzenie dodatkowych błędów tam
gdzie wynik pomiaru jest oceniany za pomocą zmysłów, np.: położenie wskazówki między dwiema
działkami podziałki, natężenie dz
więku oceniane za pomocą słuchu, barwa lub temperatura światła
oceniana na podstawie obserwacji wzrokowej.
Do innych czynników zakłócających pomiar zazwyczaj zaliczamy zakłócenia o charakterze
losowym, a więc takie których wpływu na wynik pomiaru nie da się przewidzieć.
O końcowej niepewności pomiaru decydują błędy graniczne, błędy metody oraz błędy
dodatkowe, które zostały scharakteryzowane powyżej. Jeżeli jednak pomiar zostanie wykonany
starannie w warunkach odniesienia, a błędy metody zostaną wyeliminowane poprzez wprowadzenie
odpowiednich poprawek lub odpowiedni dobór przyrządów, to na końcową niepewność pomiaru
główny wpływ ma błąd graniczny miernika.
Obliczanie niepewności pomiaru jest oparte o teorię niepewności, która zakłada, że błąd pomiaru
ma cechy zdarzenia losowego, a więc podlega prawom statystyki. Inaczej mówiąc każdemu
pomiarowi można przyporządkować prawdopodobieństwo wystąpienia błędu o określonej wartości i
przypisać funkcję gęstości prawdopodobieństwa. W przeważającej liczbie przypadków uzasadnione
jest założenie, że rozkład błędów dla przyrządów pomiarowych ma kształt prostokątny.
Zapamiętaj!
Obliczanie końcowej niepewności pojedynczego pomiaru bezpośredniego
składa się z dwóch etapów:
Obliczenie błędu granicznego "gr wynikającego z danych technicznych
przyrzÄ…du pomiarowego,
Obliczenie niepewności standardowej Ub (nazywanej również niepewnością
typu B) na podstawie obliczonego wcześniej błędu granicznego, przyjętego
rozkładu tego błędu i dla założonego poziomu ufności p.
Obliczona niepewność wyznacza przedział, w którym z danym prawdopodobieństwem mieści się
rzeczywista wartość wielkości mierzonej.
16
Katedra Metrologii i Elektroniki AGH dr inż. Piotr Burnos
 Laboratorium Metrologii PrzyrzÄ…dy pomiarowe
Wynik pomiaru wraz z oszacowaną niepewnością zapisujemy w następujący sposób:
X=xąUb dla poziomu ufności p=& ..
Wynik pomiaru bez podanej niepewności jest bezwartościowy!
4.1 BÅ‚Ä…d graniczny pomiaru przyrzÄ…dem analogowym
Wyznaczanie błędów i/lub niepewności pomiarowych jest zagadnieniem złożonym i zostanie
szczegółowo omówione w ćwiczeniu numer 2. W tym miejscu zostaną przedstawione jedynie te
informacje, które są niezbędne do wyznaczenia błędów granicznych pomiarów bezpośrednich z
wykorzystaniem przyrządów analogowych. W punkcie 4.2 zostanie omówione wyznaczanie błędów
granicznych dla przyrządów cyfrowych.
Wartość błędu pomiaru przyrządem analogowym zależy od jego klasy dokładności K oraz zakresu
pomiarowego Z. Przez wskaz
nik klasy dokładności miernika analogowego należy rozumieć liczbę,
która wyraża procentowy stosunek wartości bezwzględnego błędu granicznego "gr do wartości
zakresu pomiarowego:
"gr
K = Å"100
(16)
Z
Z powyższego wzoru wynika, że bezwzględny błąd pomiaru miernika w warunkach odniesienia,
wyrażony w procentach wartości zakresu, dla żadnej wartości wielkości mierzonej w zakresie
pomiarowym nie powinien przekraczać wskaz
nika klasy dokładności. Dla przyrządów
wskazówkowych rozróżnia się kilka klas dokładności, a najczęściej spotykane to: 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5;
przy czym im większy wskaz
nik klasy dokładności tym większy błąd pomiaru. Przekształcając
powyższy wzór, uzyskujemy zależność na obliczenie bezwzględnego błędu granicznego:
K Å" Z
"gr = (17)
100
Warto zauważyć, że bezwzględny błąd graniczny przyjmuje stałą wartość, niezależnie od wartości
mierzonej. Względny błąd graniczny obliczamy natomiast z zależności:
"
gr
´ = Å"100 (18)
gr
x
gdzie x jest wartością zmierzoną. Z powyższej zależności wynika, że względny błąd graniczny
pomiaru maleje wraz ze zwiększaniem wychylenia wskazówki. Z tego powodu zaleca się taki dobór
zakresu pomiarowego, aby wychylenie wskazówki zawsze zawieraÅ‚o siÄ™ w części podziaÅ‚ki powyżej ½
zakresu.
17
Katedra Metrologii i Elektroniki AGH
dr inż. Piotr Burnos
PrzyrzÄ…dy pomiarowe Laboratorium Metrologii
Pamiętaj!
Bezwzględny błąd graniczny pomiaru miernikiem analogowym jest stały w
całym zakresie pomiarowym i zależy od klasy przyrządu i zakresu
pomiarowego. Względny błąd graniczny, który jest stosunkiem błędu
granicznego do wartości mierzonej, maleje wraz ze wzrostem tej wartości. Z
tego powodu zakres przyrządu należy dobrać w taki sposób, aby wychylenie
wskazówki znajdowaÅ‚o siÄ™ w części podziaÅ‚ki powyżej ½ zakresu.
Przykład:
Woltomierzem o zakresie pomiarowym Zu=150 V i wskaz
niku klasy 0,5 zmierzono napięcia 15V, 75V,
150V. Oblicz błędy graniczne pomiarów.
Bezwzględny błąd graniczny nie zależy od wartości zmierzonej i dla zakresu pomiarowego 150V
wynosi:
K Å" Zu
0,5Å"150
"grU = = = 0.75 V = const
100 100
Względne błędy graniczne dla poszczególnych pomiarów wynoszą:
"grU
0,75
´ U = Å"100 = Å"100 = 0,5%
Dla U=150 V (pełny zakres pomiarowy)
gr
U 150
0,75
´ U = Å"100=1,0%
Dla U=75 V (połowa zakresu pomiarowego)
gr
75
0,75
´ U = Å"100= 5,0%
Dla U=15 V (jedna dziesiÄ…ta zakresu pomiarowego)
gr
15
Zwróćmy uwagę: Dla wskazania 150V względny błąd graniczny jest równy wskaz
nikowi klasy
dokładności, jednak dla wskazania 75V błąd ten jest dwa razy większy, a dla 15V dziesięć razy większy
niż wskaz
nik klasy.
4.2 BÅ‚Ä…d graniczny pomiaru przyrzÄ…dem cyfrowym
Nieco odmiennie oblicza się błąd graniczny pomiaru przyrządem cyfrowym. W zależności od
producenta przyrządu dokładność pomiaru może być wyrażana na dwa sposoby. Pierwszy sposób
zapisu błędu przyrządu cyfrowego przedstawia wyrażenie:
(a% wskazania +b% zakresu (19)
)
Błąd jest zatem wyrażany za pomocą sumy dwóch składowych: procentu wartości wskazanej x
oraz procentu zakresu pomiarowego Zx. Współczynniki procentowe a i b są podawane przez
producenta w dokumentacji technicznej przyrządu. Wzory obliczeniowe na błędy graniczne
(bezwzględny i względny) mają postać:
18
Katedra Metrologii i Elektroniki AGH dr inż. Piotr Burnos
 Laboratorium Metrologii PrzyrzÄ…dy pomiarowe
a Å" x + b Å" Zx
"gr =
(20)
100
Zx
´ = a + b Å" (21)
gr
x
Przykład:
Multimetrem Rigol DM3051 zmierzono napięcie stałe na zakresie 40V. Wskazanie wyniosło
U=12,451V. Dokładność przyrządu podano w formacie (a% odczytu + b% zakresu). Odczytane z
dokumentacji technicznej przyrządu współczynniki procentowe dla zakresu 40V wynoszą: a=0,025%;
b=0,006%, a obliczone błędy graniczne odpowiednio:
a Å"U + bÅ" Z 0,025Å"12,451+ 0,006Å" 40
"grU = = E" 0,005V
100 100
Z 40
´grU = a + bÅ" = 0,025+ 0,006Å" E" 0,04%
U 12,451
Drugi sposób zapisu błędu z jakim można się spotkać w praktyce ma postać:
(a% wskazania + n LSD) (22)
Składnik n LSD (least significant digit) jest to wartość wynikająca z n krotnego zwielokrotnienia
rozdzielczości przyrządu cyfrowego. Przypomnijmy, że przez rozdzielczość przyrządu cyfrowego
rozumiemy najmniejszą wartość jaka może być wyświetlona na danym zakresie pomiarowym.
W takim przypadku wzory obliczeniowe na błędy graniczne przyjmują postać:
a Å" x
"gr = + n Å" LSD (23)
100
LSD
´gr = a + n Å" Å"100
(24)
x
Przykład:
Wykonano podobny pomiar jak w poprzednim przykładzie, jednak zastosowano Multimetr
GwInstek GDM 8251A. Zakres pomiarowy wyniósł 100V, a wskazanie U=12,453V. Producent podał
dokładność przyrządu w formacie (a% odczytu + n LSB), gdzie a=0,012%, n=5. Dla wykonanego
pomiaru rozdzielczość wyniosła: 1mV. Błędy graniczne wynoszą odpowiednio:
a Å"U 0,012Å"12,453
"grU = + n Å" LSD = + 5 Å" 0,001E" 0,006V
100 100
LSD 0,001
´ U = a + n Å" Å"100 = 0,012 + 5 Å" Å"100 E" 0,05%
gr
U 12,453
19
Katedra Metrologii i Elektroniki AGH
dr inż. Piotr Burnos
PrzyrzÄ…dy pomiarowe Laboratorium Metrologii
Bibliografia
Bolkowski, Stanisław. Teoria obwodów elektrycznych. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo 
Techniczne, 1998.
Chwaleba, Augustyn, Maciej Poniński, i Andrzej Siedlecki. Metrologia elektryczna. Warszawa: WNT,
2000.
Kurdziel, Roman. Elektrotechnika. Warszawa: PWN, 1973.
Piotrowski, Janusz. Podstawy miernictwa. Gliwice: Wydawnictwo Politechniki ÅšlÄ…skiej, 1997.
 PN 92/E 06501/01.
Tumański, Sławomir. Technika Pomiarowa. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo Techniczne , 2007.
Zatorski, Andrzej, i Ryszard Sroka. Podstawy metrologii elektrycznej. 2011.
20
Katedra Metrologii i Elektroniki AGH dr inż. Piotr Burnos


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
ELE III cw 5 teoria wybrane B
cw teoria
ELE III cw 5 teoria wybrane
opis cw 2 teoria
utk cw 3 1 karta graficzna teoria
utk cw 3 2 lacze szeregowe teoria
ćw 2, Surowce browarnicze (teoria)
Ćw 6 Gorzelnictwo i wyroby spirytusowe teoria
utk cw 3 3 lacze rownolegle teoria
utk cw 3 4 karta dzwiekowa teoria
pawlikowski, fizyka, szczególna teoria względności
Teoria i metodologia nauki o informacji
teoria produkcji
MATLAB cw Skrypty
cad2 cw 5 6
cw formularz
Cw 2 zespol2 HIPS

więcej podobnych podstron