Zastosowania podstawowe oscyloskopu cyfrowego

Zastosowania podstawowe oscyloskopu cyfrowego

Zastosowania podstawowe oscyloskopu cyfrowego

Rozwój techniki powoduje, że diagnostyka stanów awaryjnych pracy sieci lub urządzeń elektrycznych jest trudna lub praktycznie niemożliwa do wykonania przy wykorzystaniu standardowych urządzeń pomiarowych. Z pomocą w takiej sytuacji przychodzi oscyloskop cyfrowy.

Wielu pomiarowcom oscyloskop kojarzy się z analogowym, trudnym w użytkowaniu i nieprecyzyjnym w pomiarach urządzeniem, którego wykorzystywanie było bardzo uciążliwe. Rozwój techniki cyfrowej przyczynił się jednak nie tylko do zmniejszenia rozmiarów i ciężaru oscyloskopów, ułatwiając ich użytkowanie w miejscu pojawiania się problemów, ale pozwolił także na znaczne zwiększenie możliwości prezentacji danych pomiarowych oraz do automatycznego wykonywania podstawowych wartości parametrów elektrycznych, jak np. wartość skuteczna silnie odkształconego prądu. Pole zastosowań oscyloskopów cyfrowych jest niemalże nieograniczone, ale dla pomiarowców najważniejsze są możliwości diagnostyczne, jakie daje to urządzenie. Przykłady wykorzystania podstawowych możliwości oscyloskopu cyfrowego są przedstawione w tym artykule.

Dlaczego pomiarowcy powinni wyposażyć się w oscyloskop cyfrowy

Na obecnym etapie rozwoju elektrotechniki czy nawet elektroenergetyki stosowane w przeszłości narzędzia pomiarowe w wielu wypadkach nie wystarczają do wykonania pomiarów pozwalających diagnozować stan pracy sieci czy urządzeń. Bezpowrotnie minęły czasy, gdy woltomierz czy wskaźnik napięcia wystarczały do eliminowania praktycznie wszystkich problemów w funkcjonowaniu instalacji i urządzeń elektrycznych. Szeroko stosowane urządzenia elektroniczne czy raczej energoelektroniczne wymuszają stosowanie nowoczesnych technik pomiarowych. Należy pamiętać, że energoelektroniczne przekształtniki mocy stosowane są obecnie praktycznie we wszystkich urządzeniach wykorzystywanych w sieciach niskiego napięcia. Można oczywiście kupić jeszcze np. żarówki halogenowe, ale lampy wyładowcze i oświetlenie wykorzystujące diody świetlne (LED – light emitting diode) wypierają te pierwsze z rynku, ponieważ są wysokosprawne. Podobnie ma się sytuacja w przypadku napędu elektrycznego.

W przeszłości stosowano silniki przyłączane jedynie przez łączniki do sieci. Rozwój energoelektroniki spowodował rozpowszechnienie się zmienoobrotowych napędów elektrycznych wykorzystujących przemienniki częstotliwości. Można je już spotkać nawet w sprzęcie gospodarstwa domowego. Analiza pracy tego typu urządzeń jest praktycznie niemożliwa przy zastosowaniu podstawowych urządzeń pomiarowych, jak np. multimetry. Związane jest to z obecnością odkształceń w prądach pobieranych przez urządzenia energoelektroniczne oraz z występowaniem stanów dynamicznych w takich urządzeniach.

W klasycznej elektrotechnice spotyka się całe spektrum zjawisk, których nie jesteśmy w stanie przeanalizować zwykłymi multimetrami – są to np. pomiary prądów udarowych transformatora podczas załączenia, pomiar parametrów prądów rozruchowych silników elektrycznych, pomiary parametrów prądu zwarcia.

Sposób działania oscyloskopu cyfrowego

Oscyloskop cyfrowy jest urządzeniem mierzącym napięcie chwilowe. W celu pomiaru prądu konieczne jest zastosowanie dodatkowych urządzeń nazwanych sondami prądowymi. Pomiar chwilowy napięcia wykonywany jest przez urządzenia nazwane przetwornikami analogowo-cyfrowymi. Urządzenia te zamieniają analogowy wygnał napięciowy na ciąg zer i jedynek, czyli na wartość cyfrową zapisaną w kodzie binarnym. To jest przyczyną pierwszego rodzaju błędu pomiarowego, który w cyfrowym oscyloskopie wynika właśnie z tego, że analogową wartość próbuje skwantyzować na postać binarną. Pomiędzy kolejnymi liczbami binarnymi, odwzorowującymi pomiar napięcia, mieści się nieskończenie wiele poziomów napięć, które przyporządkowane zostaną do tych właśnie cyfrowych wartości. Nie należy się jednak tego błędu obawiać, ponieważ współczesne oscyloskopy posiadają przetworniki analogowo-cyfrowe o bardzo dużej rozdzielczości, w związku z tym błąd kwantyzacji jest bardzo mały, ponieważ tak naprawdę różnica napięć pomiędzy kolejnymi liczbami w wielobitowym przetworniku analogowo-cyfrowym jest bardzo mała.

  Oscyloskop to urządzenie, które nie tylko mierzy wartość chwilową napięcia, ale pokazuje jego przebieg w czasie. Możliwe jest to dzięki temu, że zamiana wartości chwilowej napięcia na wartość cyfrową (binarną) odbywa się cyklicznie. Proces ten nazywa się próbkowaniem sygnału i jest powtarzany z ustaloną częstotliwością nazwaną częstotliwością próbkowania. Proces próbkowania sygnału zaprezentowano schematycznie na rysunku 1. Jeśli przeanalizuje się sposób wykonywania pomiaru przez oscyloskop, można zauważyć, że częstotliwość próbkowania ma kolosalne znaczenie dla dokładności pomiaru. Jeśli np. próbkować sygnał będziemy z częstotliwością 100 kHz, to każda kolejna próbka sygnału będzie zapamiętana co 10 µs. Jeśli pojawi się zjawisko, które będzie trwało jedynie 5 µs, to istnieje możliwość, że nie zostanie w ogóle zauważone przez użytkownika oscyloskopu. W praktyce nie należy się jednak tym przejmować, ponieważ częstotliwości próbkowania nawet niezaawansowanych oscyloskopów pozwalają na przedstawianie sygnałów o częstotliwościach przekraczających dziesiątki megaherców.

Współczesne oscyloskopy są urządzeniami dwu- lub więcej kanałowymi, co oznacza, że pozwalają one na obserwowanie więcej niż jednego sygnału. Niektóre oscyloskopy posiadają również cechy analizatora stanów logicznych, cecha ta może być dostępna po dokupieniu specjalnej przystawki do tego właśnie zadania. W takim przypadku oprócz np. czterech sygnałów analogowych mierzonych standardowymi wejściami można dokonywać analizy np. szesnastu sygnałów cyfrowych (przyjmujących wartość 1 lub 0). Możliwość taka jest bardzo przydatna w sytuacji, gdy analizujemy układy sterowania i/lub układy telekomunikacyjne.

Skwantowany i spróbkowany sygnał pomiarowy zbierany jest przez mikrokontroler, który jest newralgiczną częścią oscyloskopu. Odpowiada on bowiem za zbieranie danych pomiarowych i przesyłanie ich do wyświetlacza. Ponadto mikrokontroler wykonuje rożnego typu operacje na zebranych danych pomiarowych. Pozwala to na zmiany w akwizycji danych, ponieważ układ mikroprocesorowy umożliwia: wstępną filtrację sygnału, zmianę podstawy czasowej i napięciowej, odwrócenie sygnału, ustawienie sposobu i poziomu wyzwalania sygnału.

Mikrokontroler ma także zaprogramowane funkcje pozwalające na wyliczanie różnego typu wartości mierzonych, jak np. wartość skuteczna, wartość średnia, wartość szczytowa sygnału, częstotliwość, okres czy wiele innych. Mikrokontroler oprócz akwizycji danych na wyświetlaczu oscyloskopu jest w stanie przekazywać te dane także na inne nośniki, takie jak np.: zewnętrzna pamięć USB, drukarka czy komputer podłączony do sieci LAN. Przesyłane dane mogą być w formie pliku graficznego (będącego typowo zrzutem ekranu oscyloskopu) lub w postaci tablicy wyników pomiaru (np. CSV).

Dodatkową funkcją zaprogramowaną w oscyloskopie jest możliwość wykonywania operacji matematycznych na mierzonych sygnałach. Operacje te mogą być proste, takie jak np. dodawanie lub odejmowanie sygnałów z różnych kanałów, ale istnieje też możliwość wykonywania bardziej złożonych operacji matematycznych, jak np. szybka transformata Fouriera (FFT – fast fourier transform), obliczanie całki sygnału czy np. przedstawianie jednego sygnału w funkcji innego zamiast sygnałów w funkcji czasu (można np. narysować pętlę histerezy badanego elementu magnetycznego).

Oscyloskop czy analizator jakości energii elektrycznej

Naszym Czytelnikom oraz innym osobom zaznajomionym z techniką nasuwać się może pytanie, które z urządzeń jest bardziej przydatne w pracy pomiarowca: oscyloskop czy analizator jakości energii elektrycznej. W wielu przypadkach okazuje się, że analizator jakości energii elektrycznej jest urządzeniem lepiej spełniającym wymogi pomiarowców. Urządzenia tego typu są dedykowane do pracy w sieciach elektroenergetycznych i w związku z tym automatycznie mierzą wiele parametrów definiujących jakość pracy sieci. Wiele analizatorów (chociaż nie wszystkie) posiada możliwość graficznego przedstawienia pomiarów w sposób podobny do oscyloskopu. Istnieją jednak trzy ważne powody, przez które oscyloskop jest masowo wykorzystywany także przez pomiarowców.

Pierwszym powodem jest cena. Oczywiście jeśli weźmie się pod uwagę urządzenia wysokiej klasy z bardzo dużą dokładnością i częstotliwością próbkowania, z rozbudowanym zespołem funkcji, to oscyloskop może okazać się urządzeniem kosztownym. Natomiast w zakresie pomiarów wykonywanych w sieciach elektroenergetycznych i przy odbiornikach energii elektrycznej nie ma konieczności nabywania skomplikowanych oscyloskopów. Zestaw oscyloskop + sondy pomiarowe pozwalający wykonać pomiary pozwalające na diagnozowanie bardzo dużego spectrum problemów występujących w sieciach elektrycznych powinien zmieścić się w kwocie 4 tys. zł. Za kwotę dwa razy większą nie jesteśmy praktycznie w stanie kupić nawet jednofazowego analizatora jakości energii elektrycznej.

Kolejny powód, dlaczego oscyloskop może być potrzebny, jest związany z jego uniwersalnością. Można go użyć nie tylko do analizy przebiegów zmiennych. Możemy nim także mierzyć różnego typu zjawiska w sieciach stałoprądowych. Mowa tu np. o pomiarach związanych z akumulatorami, prostownikami i zasilaczami prądu stałego. Takich pomiarów w prosty sposób nie da się zrobić przy użyciu analizatorów jakości energii elektrycznej. W razie potrzeby oscyloskop można wykorzystać także do wykonywania pomiarów związanych ze sterowaniem czy telekomunikacją. Urządzenia elektryczne wykorzystywane w sieciach elektroenergetycznych są sterowane sygnałami o niskiej wartości, a także wyposażane są w różnego typu łącza telekomunikacyjne. Oscyloskop może w prosty sposób być użyty do stwierdzenia, czy np. sygnał sterujący pojawia się w odpowiednim momencie oraz czy np. urządzenia sieciowe komunikują się. Takich możliwości nie mają analizatory jakości energii elektrycznej.

Częstotliwość próbkowania sygnału w oscyloskopach jest typowo znacznie większa od częstotliwości próbkowania sygnałów w analizatorach jakości energii elektrycznej. W związku z tym, jeśli spodziewamy się, że zjawisko, które chcemy zaobserwować, jest zjawiskiem o wysokiej częstotliwości lub zjawiskiem krótkotrwałym, wtedy z pomocą może przyjść oscyloskop. Również w sytuacji, gdy z jakichś przyczyn chcemy zobaczyć „detale” przebiegu o standardowej częstotliwości, oscyloskop może okazać się niezastąpiony. Przykładami pomiarów, w których wysoka częstotliwość jest wymagana, są np. pomiary krótkotrwałych przepięć łączeniowych, pomiary odkształceń prądu wychodzące poza zakres 2,5 kHz (standardowy zakres częstotliwości dla analizatorów sieciowych), pomiary przewodzonych zaburzeń elektromagnetycznych (pomiary związane z kompatyblinością elektromagnetyczną). Praktycznie nie ma analizatorów jakości energii elektrycznej, które tego typu pomiary mogłyby przeprowadzić z dużą dokładnością, ponieważ ich częstotliwość próbkowania sygnału jest znacznie niższa od oscyloskopów nawet niskiej klasy.

Rodzaje oscyloskopów

Na rynku dostępnych jest wiele rodzajów oscyloskopów, których można użyć do wykonywania pomiarów. W zakresie najniższych cen możemy znaleźć tzw. przystawki oscyloskopowe do komputerów (patrz rysunek 1). Są to urządzenia pozbawione wyświetlacza, a akwizycja danych odbywa się na komputerze, który musi mieć zainstalowane dostarczane z przystawką oscyloskopową oprogramowanie. Przykładowy wygląd ekranu w trakcie pomiaru z wykorzystaniem przystawki oscyloskopowej i dedykowanego do niej oprogramowania zaprezentowano na rysunku 2. Urządzenia tego tupu charakteryzują się dużo niższą ceną w porównaniu z oscyloskopami standardowymi, posiadają podobne do nich parametry pomiarowe, natomiast na uwadze przy zakupie przystawki należy mieć własne bezpieczeństwo. Wiele z przystawek nie wprowadza wystarczającej izolacji do zapewnienia bezpieczeństwa użytkownika podczas wykonania pomiarów w sieciach, w których nie występują napięcia bezpieczne. W skrajnych przypadkach urządzenia te mogą doprowadzić do porażenia lub uszkodzenia komputera, do którego są przyłączone. Należy zatem zachować szczególną ostrożność przy użytkowaniu przystawek oscyloskopowych i dokładnie przeczytać instrukcję obsługi, sprawdzając, czy urządzenie jest zgodne np. z Dyrektywą Niskonapięciową Unii Europejskiej.

   Rys. 1. Oscyloskopowa przystawka do komputera PC OWON VDS (źródło: http://owontme.com)

Rys. 2. Wygląd ekranu monitora podczas użytkowania przystawki oscyloskopowej OWON VDS (źródło: http://owontme.com)

Kolejnym niskokosztowym rozwiązaniem oscyloskopu jest oscyloskop ręczny, taki jak np. zaprezentowany na rysunku 3. Oscyloskopy ręczne są na ogół urządzeniami o niskiej dokładności pomiaru i niskiej częstotliwości próbkowania, wyposażane są raczej także jedynie w jeden kanał pomiarowy i posiadają monochromatyczny wyświetlacz. W oscyloskopie takim ograniczona jest także możliwość wykonywania pomiarów automatycznych i generalnie okrojona jest lista funkcji, które oscyloskop może wykonywać. Jego niewątpliwą zaletą jednak jest nie tylko cena, ale także kompaktowa budowa ułatwiająca przenoszenie oscyloskopu i wykonywanie pomiarów w miejscach trudno dostępnych, gdzie podłączenie standardowego oscyloskopu mogłoby być problematyczne. Oscyloskopy ręczne mają przeważnie zasilanie bateryjne, co również ułatwia ich stosowanie w trudno dostępnych miejscach.

Rys. 3. Oscyloskop ręczny UTD1025DL firmy UNI-T (źródło: http://www.uni-trend.com/)

Oscyloskop standardowy wygląda tak, jak zaprezentowane na rysunkach 4–6 przykłady. Jest on urządzeniem większym od oscyloskopu ręcznego oraz typowo również cięższym. W obecnych czasach praktycznie standardem staje się wykorzystanie czterech kanałów pomiarowych, ale możliwy jest także zakup oscyloskopów dwukanałowych. Oscyloskopy różnią się od siebie wielkością ekranu pomiarowego. Im większy jest ekran, tym prostsze i wygodniejsze staje się użytkowanie oscyloskopu. Większy ekran pozwala bowiem nie tylko w łatwy sposób obserwować detale przebiegu, ale także na zaprezentowanie wielu dodatkowych informacji bez zasłaniania przebiegu, którego oglądanie jest w oscyloskopie przecież rzeczą kluczową. Oscyloskopy różnią się także częstotliwością próbkowania. Typowo zamiast częstotliwości próbkowania oscyloskopy mają podaną maksymalną częstotliwość przebiegu, dla której można je stosować. Dla nawet tanich urządzeń wynosi ona kilkadziesiąt megaherców, więc jest w zupełności wystarczająca do pomiarów związanych ze zdecydowaną większością zjawisk obserwowanych w sieciach elektroenergetycznych i odbiornikach energii elektrycznej.

Rys.4 . Oscyloskop cyfrowy czterokanałowy DS1054 marki Rigol

Rys. 5. Oscyloskop TPS 2024B firmy Tektronix z izolowanymi kanałami (źródło: http://uk.tek.com/)

Rys. 6. Oscyloskop wielokanałowy do sygnałów mieszanych analogowo-cyfrowych (źródło: http://uk.tek.com/)

W oscyloskopach można spotkać także różne możliwości przekazywania danych pomiarowych do urządzeń zewnętrznych. Standardem jest port USB, który pozwala na zgrywanie danych pomiarowych do przenośnych pamięci. Coraz częściej oscyloskopy posiadają port Ethernet pozwalający połączyć je z siecią LAN i przy jej pomocy odbywa się przekazywanie danych pomiarowych. Inne możliwości to post USB do podłączenia bezpośredniego z komputerem, łącza RS-232 i/lub RS-485 i wiele innych. Wygoda w archiwizacji danych pomiarowych jest więc duża.

Ważnym aspektem przy wyborze oscyloskopu jest sposób realizacji kanałów pomiarowych w zakresie ich połączenia. Rozróżniamy tu dwa typy urządzeń: z kanałami nieizolowanymi i izolowanymi. Oscyloskopy z kanałami nieizolowanymi mają połączenie metaliczne łączące nie tylko uziemienia kolejnych kanałów, ale także uziemienie kanałów pomiarowych połączone jest z uziemieniem sieci zasilającym. W pewnym sensie jest to rozwiązanie poprawiające bezpieczeństwo, ale też może być e kłopotliwe, szczególnie w sytuacji, gdy nie znamy sposobu połączeń urządzenia, którego parametry chcemy mierzyć. Oscyloskop taki uniemożliwia w praktyce mierzenie sygnałów względem innego punktu odniesienia, ponieważ wewnętrze połączenie w oscyloskopie spowoduje zwarcie wszystkich punktów, do których podłączony zostanie zacisk uziemiający sond napięciowych.

Innym rozwiązaniem są oscyloskopy z izolowanymi kanałami. Tych oscyloskopów pojawia się na rynku w ostatnim czasie coraz więcej, ale niestety ich cena jest nadal wysoka. W przypadku takich oscyloskopów kanały są między sobą izolowane, a co za tym idzie nie ma konieczności sprawdzania, czy po podłączeniu oscyloskopu może dojść do zwarcia w obwodzie mierzonym. Oscyloskopy tego typu są bardzo często zasilane poprzez zewnętrzny zasilacz bez podłączenia bolca uziemiającego. To, że kanały pomiarowe są izolowane, nie oznacza wcale, że oscyloskop chroni użytkownika przed napięciami niebezpiecznymi. Przystępując do pomiarów np. w sieciach elektrycznych przy wykorzystaniu standardowych napięciowych sond pomiarowych, należy upewnić się, czy producent oscyloskopu zezwala na pomiary w sieciach elektrycznych i jaki poziom izolacji mają kanały pomiarowe.

Wśród oscyloskopów znajdziemy urządzenia typu Mixed Signal Scope czy urządzenia pozwalające na pomiar zarówno sygnałów analogowych (co jest standardem), jak i analizę sygnałów cyfrowych (działanie tożsame z analizatorem stanów logicznych). Wbrew intuicji cecha taka nie niesie za sobą dużego wzrostu ceny oscyloskopu. Możliwości takie posiadają już urządzenia o relatywnie niskiej cenie.

Bardziej zawansowane oscyloskopy posiadają możliwość prezentowania pomiarów przy wykorzystywaniu dwóch podstaw czasowych jednocześnie. Pozwala to np. na zaobserwowanie prądu wyjściowego falownika sieciowego, czyli sygnału o częstotliwości 50 Hz, oraz na jednoczesne oglądanie na ekranie oscyloskopu sygnałów sterujących tranzystorami w tym falowniku. Taka cecha jest przydatna w zaawansowanych analizach pracy, np. przekształtników energoelektronicznych, natomiast oscyloskopy, które to umożliwiają, są na ogół urządzeniami dość drogimi.

Osprzęt do oscyloskopów

Zakupiony oscyloskop dostarczany jest przeważnie w zestawie tylko z sondami napięciowymi w liczbie równej liczbie kanałów pomiarowych. Sondy te to na ogół sondy tzw. 1–10, czyli takie, które pozwalają na bezpośredni pomiar sygnałów niskonapięciowych w oscyloskopie, ale także po przełączeniu na pomiar poprzez kompensowany dzielnik napięciowy dzielący wartość pomiaru prądu przez 10. W przypadku pomiarów dedykowanych sieciom elektrycznym standardowo dostarczone sondy pomiarowe nie mają praktycznie zastosowania, mogą być wykorzystane jedynie do pomiarów wykonywanych poprzez przekładnik napięcia lub przekładniki prąd w napięcie.

Do pomiaru napięcia w sieciach elektrycznych należy się wyposażyć w różnicowe sondy napięciowe o klasie izolacji pozwalającej na pracę w sieciach o napięciu do 1000 V. Przykład takiej sondy zaprezentowano na rysunku 7. W przypadku pomiarów mających za zadanie detekcję problemów z napięciem zasilającym wykonywanych w sieciach trójfazowych warto jest wyposażyć się w 3 takie sondy. Są one w pełni izolowane, więc nie należy się przejmować możliwością zwarcia elementów mierzonych, ponieważ nawet jeśli kanały oscyloskopu nie są izolowane, to nie dojdzie do sytuacji niebezpiecznych. Oczywiście poziom izolacji musi być odpowiednio dostosowany do badanej sieci. Sondy różnicowe nie są zwykłymi przekładnikami napięciowymi, są to tak naprawdę urządzenia elektroniczne, które są w stanie pośredniczyć w pomiarze napięcia stałego, jak też napięć o wysokiej częstotliwości. Różnicowe sondy napięciowe wymagają zasilania, które na ogół realizowane jest poprzez baterie lub akumulatorki. Koszt jednej sondy pomiarowej może wahać się w zależności od parametrów od kilkuset do kilkunastu tysięcy złotych.

Rys. 7. Sonda różnicowa firmy Keysight (źródło: www.keysight.com)

Kolejnym bardzo ważnym urządzeniem dla pomiarowca jest sonda prądowa. Oczywiście możliwe jest wykonanie pomiaru prądu przy pomocy bocznika pomiarowego i standardowej sondy napięciowej, ale może to być problematyczne, chociażby ze względu na konieczność izolowania sondy pomiarowej lub ze względu na konieczność rozłączenia obwodu mierzonego w celu przyłączenia bocznika pomiarowego. W celu wykonania pomiaru prądu oscyloskopem można wykorzystać sondy prądowe, których oferowane jest całe spectrum. Zaczynając od najprostszych i najtańszych sond mierzących jedynie prądy zmienne po zaawansowane urządzenia pozwalające na jednoczesny pomiar prądów stałych i zmiennych o szerokim paśmie przenoszenia sygnałów. Przykładowe sondy prądowe przedstawione zostały na rysunkach 8 oraz 9. Sondy tego typu wymagają zasilania, które jest wykonane przy wykorzystaniu baterii lub zasilacza dostarczanego z sondą. W tym drugim przypadku należy pamiętać, że uziemienie sygnału wyjściowego sondy pomiarowej może być w zasilaczu tym podłączone do uziemienia sieci zasilającej. Sondy prądowe mają różne zakresy pomiarowe zaczynające się na kilku amperach, a kończące się na kiloamperach.

Rys. 8. Sondy prądowe Hioki dedykowane do pomiaru prądów małej wartości (źródło: https://www.hioki.com/)

Rys. 9. Sonda prądowa Fluke i1000s (źródło: http://support.fluke.com/)

Akwizycja danych pomiarowych w postaci przebiegu

Podstawową cechą oscyloskopu jest możliwość rysowania przebiegu sygnałów mierzonych w czasie. Taka graficzna reprezentacja pomiaru pozwala pomiarowcom na błyskawiczną ocenę mierzonych przebiegów. Jednym rzutem oka można ocenić, czy mierzony przebieg ma charakter sinusoidalny (patrz rysunek 10), czy jest przebiegiem odkształconym zawierającym wyższe harmoniczne (tak jak zaprezentowano na rysunku 11). Wprawne oko doświadczonego pomiarowca może ocenić, od jakiego typu urządzenia pochodzi np. obserwowany przebieg prądu. Szczególnie charakterystyczne są przebiegi prądów prostownika jednofazowego i prostownika trójfazowego. Również w łatwy sposób można ocenić obecność odkształceń wyższych częstotliwości, które pochodzą np. od prostowników aktywnych lub prostowników z członem korekcji prądu (zwanych PFC – power factor correction).

Rys. 10. Przebiegi sinusoidalne obserwowane na ekranie oscyloskopu

Rys. 11. Przebiegi odkształcone obecnością wyższych harmonicznych

Graficzne przedstawienie przebiegów pozwala także na łatwą analizę stanów przejściowych. Jeśli chcemy poznać krotność prądu rozruchowego badanego silnika, wystarczy ustawić oscyloskop na zarejestrowanie jednokrotne przebiegu prądu, ustawić wyzwalanie na poziom bliski zeru, a podstawę czasu tak, aby możliwe było zarejestrowanie kilkunastu okresów prądu. Powtarzając to badanie kilkukrotnie, będziemy mieli miarodajną informację, z jaką krotnością prądu mamy do czynienia. W trakcie tego badania można równocześnie rejestrować przebieg napięcia i stwierdzić, jak rozruch badanej maszyny wpływa na napięcie. Podobne badanie można przeprowadzić również dla prądów rozruchowych transformatora.

W podobny sposób można ustawić oscyloskop do zarejestrowania przepięć. Jeśli ustawimy wyzwalanie przebiegu (trigger) na poziom wyższy od amplitudy napięcia sieci i jednorazową rejestrację przebiegu, możemy uzyskać zarejestrowanie przepięcia pojawiającego się w sieci.

Pomiary automatyczne

Oscyloskop cyfrowy wyposażony jest w wiele algorytmów pozwalających na wykonanie pomiarów wielkości charakterystycznych dla obserwowanych przebiegów. Wśród nich należy wymienić: pomiar wartości skutecznej (wykonywanej zgodnie z definicją, czyli dającą prawdziwą wartość skuteczną również dla przebiegów odkształconych), pomiar wartości średniej (wykonywany zarówno dla jednego okresu, jak i dla połowy okresu badanego przebiegu), pomiar okresu i częstotliwości (oscyloskop wykrywa automatycznie okres badanego przebiegu), wartość maksymalną i minimalną przebiegu, czas narastania zbocza, czas opadania zbocza, przeregulowanie i wiele innych. Graficzna reprezentacja niektórych z wymienionych powyżej parametrów mierzonych automatyczne zestawiona jest na rysunku 12.

Rys. 12. Graficzne przedstawienie wybranych parametrów przebiegu mierzonych automatycznie przez oscyloskop MSO1000Z firmy Rigol (źródło: https://www.rigolna.com/)

Przy wykorzystywaniu tej użytecznej cechy oscyloskopu cyfrowego, jaką są pomiary automatyczne, należy pamiętać o ich aspekcie praktycznym. W celu otrzymania wysokiej dokładności w trakcie pomiaru należy odpowiednio zaprezentować na ekranie mierzoną krzywą. To znaczy, że na ekranie musi się znajdować przynajmniej jeden i nie więcej niż dwa okresy mierzonego przebiegu, co uzyskuje się odpowiednim dopasowaniem podziałki poziomej (podstawy czasu). Podobnie odpowiednio należy ustawić podstawę napięciową, tak aby maksymalnie dokładnie zaprezentować przebieg. Innymi słowy podziałka napięciowa powinna mieć najwyższą wartość, która nie powoduje jeszcze wyjścia przebiegu poza obszar ekranu. Takie ustawienie zminimalizuje wpływ błędu kwantyzacji i próbkowania na jakość wykonywanych pomiarów automatycznych.

Oscyloskopy cyfrowe pozwalają na wybór tych pomiarów, które będą zaprezentowane na ekranie. Niektóre pozwalają także na zaprezentowanie wszystkich pomiarów wykonywanych automatycznie. W takim przypadku należy się jednak nastawić na możliwość praktycznie całkowitego użycia powierzchni ekranu do prezentacji tabeli pomiarowej, tak jak zaprezentowano to na rysunku 13.

Rys. 13. Zrzut ekranu oscyloskopu podczas wykonywania automatycznych pomiarów

Wykonywanie pomiarów przy użyciu kursorów

Oscyloskopy cyfrowe posiadają możliwość wykonania pomiarów w pewnym sensie manualnych. Mają one możliwość ustawiania tzw. kursorów, które mogą mierzyć zarówno parametry związane z osią y (czyli pomiary wartości napięcia ewentualnie prądu, tak jak zaprezentowano to na rysunku 14), ale także mogą wykonywać pomiary w osi x (czyli na przykład pomiary związane z czasem, częstotliwością, wypełnieniem oraz przesunięciem fazowym, tak jak zaprezentowano to na rysunku 15). Pozwala to na precyzyjne odczytanie interesujących nas wartości. Zastosowanie kursorów daje możliwość wykonania pomiarów interesujących nas parametrów, z których wiele nie znajdzie swoje odzwierciedlenia w pomiarach automatycznych. Przykładowym pomiarem, który można wykonać przy użyciu kursorów, jest np. zmierzenie amplitudy prądu rozruchowego silnika po sekundzie od startu. Taka wartość może być dla nas kluczowa przy analizie np. zjawisk cieplnych w rozłączniku, a wykonanie tego pomiaru przy użyciu algorytmów do pomiarów automatycznych jest w zasadzie niemożliwe. Również pomiary związane z czasem można wykonywać w prosty sposób. Wracając do przykładu prądu rozruchowego silnika, można stwierdzić np., ile czasu od zapoczątkowania rozruchu mija do momentu, gdy wartość prądu rozruchowego spadnie poniżej wartości dwukrotnie większej od prądu nominalnego silnika. Pomiar taki w przypadku standardowych oscyloskopów cyfrowych nie może być wykonany w sposób automatyczny. Możliwe jest to jedynie w sytuacji, gdy zarejestrujemy przebieg prądu rozruchowego i użyjemy kursorów. Bardziej zaawansowane oscyloskopy będą oczywiście pozwalały na dokonanie tego typu pomiarów również automatycznie, ale nawet przy rozbudowanych algorytmach wyszukiwania pomiarów w sposób automatyczny producenci zaawansowanych oscyloskopów nie rezygnują z wyposażania swoich jednostek w opcję wykonywania pomiarów przy użyciu kursorów.

Rys. 14. Pomiar parametrów napięcia wykonywany przy użyciu kursorów

Rys.15 . Pomiar czasu wykonany kursorami

Zastosowanie eksportowanych tablic pomiarowych do obliczania wartości mierzonych samodzielnie

W skrajnym przypadku, gdy pomiary wykonywane automatycznie czy przy użyciu kursorów nie spełniają oczekiwań pomiarowca, którego interesują jakieś specyficzne wartości definiujące obserwowane sygnały, ma on możliwość wyeksportowania danych pomiarowych (zapisanych próbek przebiegów zaobserwowanych wcześniej na wyświetlaczu). Utworzona tabela może być później edytowana w arkuszu kalkulacyjnym, gdzie możemy dokonać obliczeń interesujących nas wartości. Wyeksportowanie pomiarów umożliwia tworzenie własnych wykresów ze zmierzonych wartości lub wartości, które otrzymujemy po przeliczeniu danych pochodzących z oscyloskopu cyfrowego.

Podsumowanie

Konkurencja na rynku cyfrowych przyrządów pomiarowych spowodowała znaczną redukcję cen oscyloskopów cyfrowych. Narzędzie to stało się zatem bardziej dostępne dla pomiarowców. Z kolei rozwój techniki, a w szczególności szerokie zastosowanie przekształtników energoelektronicznych w urządzeniach powoduje, że diagnostyka stanów awaryjnych pracy sieci lub urządzeń elektrycznych jest trudna lub praktycznie niemożliwa przy wykorzystaniu standardowych urządzeń pomiarowych. Z pomocą w takiej sytuacji przychodzi oscyloskop cyfrowy. W artykule tym przedstawiono podstawowe możliwości pomiarowe oscyloskopu wraz z informacjami dotyczącymi charakterystyki jego pracy. Omówiono także przykładowe możliwości wykorzystania oscyloskopu cyfrowego do oceny pracy urządzeń elektrycznych.

Autor: dr inż. Łukasz Rosłaniec absolwent studiów magisterskich i doktoranckich na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej, specjalista w zakresie układów zasilania rezerwowego, rozproszonych źródeł energii, jakości energii elektrycznej, a także energoelektroniki