A méréstechnika tárgyköre

Az ipari méréstechnika a villamos és nemvillamos mennyiségek méréseivel foglalkozó tudományág. A nem villamos mennyiségeket átalakítók segítségével villamos jellé alakítjuk és a villamos jel könnyen mérhető, átalakítható, rajta matematikai műveletek végezhetőek.

Az átalakítók fajtái

A passzívátalakítók lehetnek ohmos, induktív és kapacitív elemek.
A műveleti erősítők jó tulajdonságai és a segítségükkel megoldható feladatok alkalmassá teszik felhasználásukat a méréstechnikában. A teljesség igénye nélkül, bemutatunk néhány jellegzetes alkalmazást az elektronika és a méréstechnika területéről.

A precíziós mérőerősítő

Pontos mérések esetén, amikor szükség van hidak, ellenállás-hőmérők, hőelemek és egyéb más átalakítók által adott kis jelszintek erősítésére, a nagy CMRR mellett különleges erősítők alkalmazása indokolt.
Ezen mérőerősítők olyan kapcsolások, amelyeknek a visszacsatolt erősítése igen pontosan beállítható, igen nagy bemeneti ellenállással rendelkeznek s felépítésük igen változatos lehet.
A következő ábrán három műveleti erősítő alkalmazásával kialakított precíziós erősítőt szemléltet.

Műveleti erősítős precíziós erősítő kapcsolása

A mérőerősítő elemzése

Az áramkör azonos fázisú elnyomása igen jó, így szimmetrikus és aszimmetrikus vezérléssel is jól működik. A két bemeneti erősítő kimenő jeleinek különbsége vezérli a második fokozatot.

A kapcsolás eredő erősítése:

Az erősítés a R potenciométer változtatásával lehetséges.

Az elektronikus feszültségmérés

A feszültségmérők segítségével a villamos feszültség közvetlenül is mérhető, de a műszerek nem túl nagy belső ellenállása miatt a műszerek önfogyasztása jelentős lehet. Ezért szükség van olyan feszültségmérőkre, amelyek kis feszültségek mérése esetén is nagy belső ellenállással rendelkeznek.

Az analóg mérőműszer

A mérőműszer és a mérendő jel közé erősítőt beiktatva, a mérés érzékenysége és pontossága növelhető. Feszültségmérő műveleti erősítős követővel

A fenti ábrán a feszültségmérő nagy bemeneti ellenállással rendelkezik a felhasznált műveleti erősítős feszültségkövetőnek alkalmazásával.

Ha az érzékenységet növelni akarjuk, akkor a bemenő jelet erősíteni kell. Ezt mutatja be a következő ábra kapcsolása. Feszültségmérő nem invertáló műveleti erősítővel

A kimeneti feszültség értéke:

A precíziós egyenirányítás

Ha váltakozó feszültséget akarunk mérni, akkor a mérendő feszültséget egyenirányítani kell, mert a Deprez- műszer csak egyenfeszültség és egyenáram mérésére alkalmas.
Erre mutat egy megoldást a következő ábra, amely kétutas egyenirányító kapcsolást alkalmaz. Precíziós egyenirányító kapcsolás

A Deprez-műszeren az egyenirányított áram folyik keresztül, melynek értéke arányos a bemenő feszültséggel.
A mérendő jel frekvenciáját a műveleti erősítő sávszélessége és a kimeneti jel maximális változási sebessége határozza meg.

Árammérés áramerősítő kapcsolással

Az elektronikus erősítők alkalmazásával növelhetjük a mérés érzékenységét és illesztést végzünk a jelforrás és a kijelző műszer között.
Alkalmazhatunk áram- feszültség átalakítót, vagy a mérendő árammal arányos feszültség erősítésének elvén alapuló kapcsolást. Erre látunk példát a következő két ábrán.

Árammérés áramerősítő kapcsolással

Árammérés feszültségerősítés révén

A műszeráram

Ha a mérendő áram igen kis értékű, akkor alkalmazhatjuk a következő áramköri elrendezést.

A kapcsolási rajz alapján a Deprez-műszeren átfolyó áram értéke:

Kis értékű áramok mérése

Aktív mérőhidak

Az ipari méréstechnikában a mérőátalakítók kimeneti mennyisége villamos ellenállás, melynek megjelenési formája lehet:

• Ellenállás-hőmérő,
• Potenciométer (elfordulás érzékelés),
• Nyúlásmérő bélyeg

Ezek egyszerű kapcsolásban is használhatóak, amint azt a következő ábra is mutatja.

Ellenállásváltozás átalakítása feszültségváltozássá

Hő, foto-ellenállás, nyúlásmérő bélyeg, potenciométer

Az ismeretlen változása feszültség vagy áramváltozásra vezethető vissza. Ha a mérendő mennyiséggel az egyenesen arányos akkor az ábra alapján a feszültségosztás törvénye szerint:

A műveleti erősítő alkalmazása esetén, amint azt az ábrán látjuk, a kimneti feszültség egyenesen arányos az ellenállással:
Egyenáramú hidak
.

Ha pontos és érzékeny mérést kell végezni, akkor alkalmazzuk a hídkapcsolásokat. A legegyszerűbb egyenáramú híd a Wheastone- híd, melynek kialakítása az ábrán látható.

A híd akkor van kiegyenlítve, ha a szemben lévő ellenállásainak szorzata egyenlő, ilyenkor a híd kimenő feszültsége nulla.
A híd egyik eleme arányos az ismeretlen fizikai mennyiséggel, amely lehet pl. hőmérséklet. Ennek érzékelésére ellenálláshőmérőt alkalmazunk, melyre jellemző, hogy ellenállása -on . Anyaga a mérés hőmérséklettartományától függ. Így alkalmaznak platina és nikkel ellenálláshőmérőket. Az ellenállás változásának hatására a híd kimenő feszültsége változik, a híd elhangolódik, amelyet felerősítve egy kijelző műszeren érzékelhetünk.

Hídáramerősítő

A kimenő feszültség

Az ábrán egy ilyen megoldást látunk. A kimenőfeszültség egyenesen arányos a relatív ellenállás-változással és a híd tápfeszültségével.
Tehát gondoskodni kell a híd táplálásának a stabilizálásáról.
Ha az átalakító kapacitív vagy induktív jellegű, akkor váltakozóáramú hidat alkalmazunk. Ez az áramkör is felfogható két feszültségosztónak, ahol az egyik oldalon ohmos, a másik oldalon induktív vagy kapacitív osztó van jelen. Ilyen hídra látunk példát a következő ábrán.

Váltakozóáramú hidak

Az analóg multiméter feszültségmérő

A műveleti erősítők fontos felhasználási területe a méréstechnikában a kis és nagyfeszültségek mérése igen nagy belső ellenállással. Erre készülnek pl. az analóg multiméterek.
A feszültségmérő része egy olyan feszültségosztó, ahol a leosztott feszültség jut a műveleti erősítőre, mely a jelet felerősítve a kijelző Deprez-műszerre viszi.
A legkisebb méréshatáron a mérendő jel osztás nélkül kerül az erősítőre, s ezért igen kis jelek mérésére is használható nagy belső ellenállás mellett. Az osztó teljes ellenállása képviseli a belső ellenállást. Nagyobb feszültség-méréshatáron a leosztott jel kerül az erősítőre, melynek értéke a méréshatárok maximális értékeinél mindig azonos.

Az analóg multiméter árammérő

Árammérés esetén a mérendő áram egy ellenálláson hoz létre feszültségesést és a méréshatár legnagyobb értékénél az erősítőre jutó jel a felerősítés után a kijelző műszert a végkitérésbe viszi.
A méréshatár legnagyobb értékénél az erősítőre jutó jel most is annyi, mint a feszültségmérés esetén.

Az analóg multiméter ellenállásmérő

Ellenállás mérés esetén egy áramgenerátor, melynek árama az adott méréstartományban független a mért ellenállástól állandó áramot hajt keresztül az ismeretlen ellenálláson, és a rajta esett feszültség jut az erősítőre, amely szintén azonos az előzőekben leírtakkal.
Ennek az ellenállásmérésnek a fő jellemzője, hogy a műszer kitérése egyenesen arányos a mért ellenállással.

A villamos és a nemvillamos mennyiségek mérésével foglalkozó tudományág.

Pontos mérések esetén, amikor szükség van hidak, ellenálláshőmérők, hőelemek és egyéb más átalakítók által adott kis jelszintek erősítésére, a nagy CMRR mellett precíziós méréserősítők alkalmazása indokolt.

A feszültségmérők segítségével a villamos feszültség közvetlenül is mérhető, de a műszerek nem túl nagy belső ellenállása miatt a műszerek önfogyasztása jelentős lehet. Ezért szükség van olyan feszültségmérőkre, amelyek kis feszültségek mérése esetén is nagy belső ellenállással rendelkeznek.

Az ipari méréstechnikában a mérőátalakítók kimeneti mennyisége villamos ellenállás.

Olyan mérőellenállás, amely erőhatás, mechanikai feszültség hatására az ellenállását megváltoztatja.

A műveleti erősítők fontos felhasználási területe a méréstechnikában a kis és nagyfeszültségek mérése igen nagy belső ellenállással. Erre készülnek pl. az analóg multiméterek.