Elementaire meettechniek (3)

Transcriptie

1 Elementaire meettechniek (3) E. Gernaat (ISBN ) 1 Multimeters 1.1 Analoge en digitale uitvoeringen Multimeters kent men in vele uitvoeringen 1. Met multimeters kunnen we -zoals het woord al zegt- een groot aantal elektrische metingen uitvoeren. Standaard kan een multimeter spanning, stroom en weerstand meten. ooral digitale multimeters bezitten vaak een scale aan mogelijkheden. Behalve de genoemde meetgrootheden kunnen ze soms ook temperatuur, lichtsterkte en geluidsdruk meten. Ook het controleren van elektronica-componenten zoals dioden en transistoren is meestal mogelijk. Het grootste verschil tussen de multimeters onderling is het verschil in analoge en digitale uitvoering. De analoge multimeter (fig. 1) lijkt zijn langste tijd gehad te hebben en is wat gevoelig voor stoten en schokken. Toch treffen we analoge meters nog wel aan, maar meestal niet meer Figuur 1: Principiële opbouw van een analoge meter ook wel draaispoelmeter genoemd als multimeter voor het meten van elektrische grootheden. Een analoge meter is opgebouwd uit een permanente magneet en een draaispoel. De stroom door 1. Op dit werk is de Creative Commons Licentie van toepassing. Op voorwaarden vrij kopieerbaar 1

2 de draaispoel levert een magnetisch veld en is afkomstig van de meetschakeling. De kracht die het elektrische veld uitoefent op het magneetveld van de permanente magneten doet de wijzer tegen een veerspanning in verdraaien. De uitslag van de wijzer is dan een maat voor de grootte van de stroom door de draaispoel. Alle te meten grootheden moeten dan ook herleid worden tot een stroom door de draaispoel. Toch heeft een analoge meter -meettechnisch gezien- een voordeel. Zou er namelijk sprake zijn van een fluctuatie in de spanning dan springen de cijfers (digits) van de digitale multimeter alle kanten uit. Zo n spanningsverandering op de analoge meter daarentegen doet alleen de aanwijsnaald wat heen en weer bewegen. De (gemiddelde) spanning is dan nog goed afleesbaar. De digitale multimeter is verkrijgbaar in diverse prijsklassen en in een groot aantal uitvoeringen. Digitale meters werken met het zgn. sample and hold principe. De microprocessor in de meter meet het analoge signaal, digitaliseert het in een analoog/digitaalomzetter (ADC), slaat het gedigitaliseerde signaal op en/of geeft het weer op de display. ervolgens begint het proces opnieuw. Het is dus een continu-proces van: meten, digitaliseren, opslaan en weergeven. In tegenstelling tot oscilloscopen kunnen multimeters dat niet vreselijk snel. 1 tot 5 x per seconde voor de niet al te dure meetinstrumenten is een gebruikelijke verwerkings- of beter bemonsteringssnelheid. Nauw hiermee in verband staat de zgn. responstijd, dat is de tijd die de meter nodig heeft om op een spanningsverandering te reageren (fig. 2). Digitale R1 R2 R3 R4 0 5 ADC memory display driver bus meetpennen 100k 5 x per seconde up date klok Figuur 2: Begripsmatige voorstelling van de werking van een digitale multimeter multimeters, vaak afgekort tot DMM laten zich verder onderscheiden in handmatige en automatische range-instelling. Bij de handmatige (manual) instelling moet de gebruiker behalve de metermode (spanning, weerstand, stroom) ook het meetbereik instellen. Dit laatste lijkt lastig(er) maar maakt de meter meestal wel sneller. Bij automatische range-instelling begint de meter bij de hoogste instelling en daalt dan af tot de juiste instelling is bereikt. Fig. 3 laat een een multimeter met handmatige instelling zien. 2

3 Figuur 3: Multimeter met handmatige instelling 2 Displays De wat goedkopere meters zijn uitgevoerd met een zgn digit display. Op de display treffen we dan 4 digits (cijfers aan) waarvan de meest linkse maximaal een 1 kan worden. De uitleesnauwkeurigheid of resolutie van dergelijke meters is niet zo groot. Omdat we bij de handmatige meters de komma verstellen zien we vaak dat het meetbereik weergegeven wordt in 2, 20 en 200. De maximale waarde op de display is oorbeelden: instelling 2 ;maximale display weergave 1,999 instelling 20 ;maximale display weergave 19,99 instelling 200 ;maximale display weergave 199,9 Meten we in een 12 installatie dan kunnen we met 2 cijfers achter de komma meten. Wanneer we nu een dergelijke meter gebruiken bij een bedrijfswagen dan schiet deze meter misschien wel te kort. Ga maar na: De 20 schaal gaat maar tot 19,99 zodat we voor 24 olt spanningen de 200 schaal moeten kiezen. We hebben dan maar 1 cijfer achter de komma en kunnen maar op 0,1 volt nauwkeurig weergeven. Zou dit bezwaarlijk zijn dan staat een digit multimeter of een digit multimeter tot onze beschikking. De multimeter heeft als maximale weergave van de meest linkse digit een 3 en kan dan maximaal 3999 aanwijzen. De 4 1 2digit meter heeft een extra digit in de display. Fig. 4 laat het verschil zien tussen de verschillende soorten displays. 3

4 3 1/2 digit 3 3/4 digit 4 1/2 digit Figuur 4: erschillende soorten displays 3 De multimeter als differentiaalmeter Digitale multimeters zijn differentiaalmeters, dat wil zeggen ze meten het spanningsverschil tussen twee meetpunten. Zetten we op de plus-meetpen 12 en op de min-meetpen (COM) 2 dan zal de display 10 olt aanwijzen. Over het algemeen verdient het aanbeveling om t.o.v. de massa van het voertuig te meten. 3.1 De zwevende meting Een aandachtpunt betreft een zgn. zwevende meting. Wanneer we de meetpennen bijv. nergens op aansluiten, dan probeert de meter toch een spanningsverschil weer te geven. De meetpennen en draden werken dan als een antenne waardoor we voornamelijk in de laagste meetschaal de digits zien verspringen. Zwevende metingen kunnen ook ongewild voorkomen. Zie hiervoor fig. 5. In schakelaar open schakelaar gesloten schakelaar open gloeidraad lamp onderbroken Figuur 5: De zwevende meting de eerste situatie zal de multimeter (2-schaal), als alles goed is 0 aangeven. Er is geen spanningsverschil tussen de twee punten omdat de gloeidraad van de lamp de twee meetpennen met elkaar verbindt. In de tweede situatie 4

5 is de schakelaar gesloten en zal de voltmeter 12 (20 -schaal) aangeven. De lamp soepeert immers de spanning geheel op. In de derde situatie is de gloeilamp defect, het draadje is doorgebrand. De schakelaar staat nog open. Hier krijgen we weer de eerder genoemde antenne-werking. De meetpennen pikken wat spanning op en geven het verschil weer. We zien dat de display niet stabiel uitleest. Als we dit verschijnsel kennen dan kunnen we er tijdens het meten rekening mee houden. 3.2 De invloed van de inwendige weerstand van de meter op een meting We moeten ons realiseren dat een meter altijd een inwendige weerstand heeft. Op het moment dat we een meter aansluiten is het circuit niet meer hetzelfde. We hebben immers een extra weerstand ergens parallel aangezet. Nu is de weerstand van een digitale multimeter behoorlijk hoog. 1MΩ ( Ω) is niet ongebruikelijk. De betrouwbaarheid van de aflezing hangt nu sterk af van het circuit waarin we meten. Bij laagohmige circuits is de aflezing vrijwel gelijk aan de werkelijke spanning. Bij hoogohmige circuits, zoals we in de elektronica tegenkomen, ligt de situatie geheel anders. Zie het het voorbeeld in fig. 6. In de 12 olt 12 olt 100 Ohm 100 kohm 1 MOhm 1 MOhm a min b min Figuur 6: Invloed van de multimeter op het elektrische circuit eerste situatie is een 12 circuit getekend waarin een weerstand van 100 Ω in serie staat met de voltmeter van Ω. De werkelijke spanning op het meetpunt bedraagt dan: / x 12 = 11,999 Dit kunnen we verantwoord afronden tot 12. In de tweede situatie is de weerstand geen 100 Ω maar Ω. Nu is bedraagt de spanning op het meetpunt: / x 12 = 10,9 Dit is een ontoelaatbare afwijking. Goedkopere meters hebben vaak een lagere inwendige weerstand en zijn dan ongeschikt om te meten in hoogohmige 5

6 circuits. oor laagohmige circuits kunnen ze echter goed worden gebruikt. 3.3 Het meten van wisselspanning Hoewel het meten van wisselspanning (AC) in de autotechniek niet zoveel voorkomt kunnen we deze meetmogelijkheid gebruiken voor het meten van bijv. een inductieve-impulsgever (ABS-wielsensor of krukas-positiesensor). eel meters kunnen alleen maar zuiver sinusvormige wisselspanningen nauwkeurig meten en meten dan de effectieve spanning. De inductieve sensor produceert geen zuiver sinusvormige spanning zodat we de afgelezen waarde wel als vergelijking kunnen gebruiken maar niet als absolute waarde. Ook zien we dat de aflezing van de AC-spanning vaak frequentie afhankelijk is. Uiteraard worden deze meetproblemen bij duurdere meters gecompenseerd (True RMS). 4 Nauwkeurigheid en resolutie De nauwkeurigheid van een meter geeft aan hoe dicht de werkelijke waarde bij de gemeten waarde ligt. Dit wordt vaak uitgedrukt in een percentage. Het percentage slaat meestal op de gemeten waarde. Bijv. wanneer we 100,0 uitlezen en de nauwkeurigheid van de meter is +/- 1% dan kan de werkelijke waarde tussen de 101,0 en 99,0 olt liggen. erder hebben we nog te maken met de resolutie. Onder de resolutie verstaan we de aflezing van de meter. We kunnen immers wel nauwkeurig meten maar we moeten ook nog de display aansturen. Wanneer de meter 2 digits kan afwijken dan zal in het voorbeeld de werkelijke waarde kunnen varieren tussen 98,8 en 101,2 olt. In de handleiding van een meter wordt dit vaak weergegeven als: +/- 1% +/- 2 digits Nauwkeurigheid en resolutie kunnen per meter variëren afhankelijk van de gekozen meetinstelling (AC, DC, Ω) 5 ragen en opgaven Zie boek 6