Laboratorní měřicí přístroje – Co byste o nich měli vědět

Datum 08.11.2019

Elektronické měřicí přístroje jsou součástí základní výbavy každé moderní laboratoře. Vysoké požadavky se přitom kladou na jejich přesnost a dokonalému přizpůsobení pro oblast konkrétního použití. Jaké typy laboratorních měřicích přístrojů jsou k dispozici, na jakém principu fungují a co je dobré před jejich nákupem vzít v potaz, se dozvíte v následujícím článku.

Co jsou to laboratorní měřicí přístroje?

Laboratorní měřicí přístroje, jak už sám název napovídá, jsou přístroje, které se používají v laboratořích. Používají se pro vědecké účely, ve výzkumu, vývoji a v oblasti pro zabezpečení kvality a například v medicínských laboratořích, biologii, chemicko-fyzikálních institutech, ve výrobě a strojírenství nebo při testování různých stavebních materiálů, nářadí nebo potravin. Práce v laboratořích je vysoce náročná a vyžaduje maximální úsilí, proto jsou na laboratorní měřicí přístroje kladeny tak vysoké nároky. Tyto přístroje proto musí fungovat naprosto bezchybně, musí vykazovat maximální ergonomii a potřebný výkon. Mimoto musí laboratorní přístroje poskytovat velmi přesné výstupní hodnoty.

Laboratorní přístroje jsou navrženy speciálně pro konkrétní oblast použití. Ve své podstatě se tyto měřicí přístroje používají pro 2 hlavní procesy: Analýzu a syntézu. V rámci analýzy dochází k rozložení prvku na jednotlivé části, proto aby mohlo dojít k průzkumu jejich funkce, vztahů a interakce. Naproti tomu je pak syntéza, kterou se provádí složení a spojení dílčích prvků do jeho nové látky. V závislosti na účelu zkoumání a pracovním procesu se může vybavení laboratorních přístrojů a jejich příslušenství určitým způsobem lišit.

Pro chemickou analýzu (například měření pH u vodního roztoku) jsou laboratorní přístroje – pH metry vybaveny speciálními pipetami. K měření lomu indexu lomu látek se v laboratořích používají profesionální refraktometry. Mezi další laboratorní přístroje používané v oblasti elektroniky a elektrotechniky patří zejména ampérmetry, multimetry, voltmetry a osciloskopy. Mezi laboratorní přístroje samozřejmě patří i například profesionální digitální váhy nebo přístroje pro měření teploty.

Laboratorní měřicí přístroje jsou zpravidla stacionární zařízení, která jsou vybavena různými ovládacími prvky, obrazovkou nebo dotykovým displejem a zahrnují navíc různá komunikační rozhraní (například USB port verze 2.0, Ethernetový port a další), která zároveň poskytují možnost dálkového ovládání systému měřicího přístroje a přenos dat do počítače. Rozhraní mohou být integrována do samotného přístroje, popřípadě je možné těmito komponenty měřicí přístroj dodatečně vybavit. Tyto stacionární měřicí přístroje mohou být nahrazeny přenosnými – mobilními, měřicími přístroji. Většinou se tak jedná o různé USB přístroje, které nejsou vybaveny obrazovkou a speciálními ovládacími prvky. Do počítače se takové přístroje připojují většinou prostřednictvím USB portu a jejich nezbytnou výbavou je speciální, tovární software.

Druhy laboratorních přístrojů

Na e-shopu Conrad naleznete celou řadu vysoce kvalitních měřicích přístrojů určených pro použití v laboratořích a speciálně zaměřených na elektroniku pro oblast vývoje a výroby obvodů DPS (deska plošných spojů).

Elektronické zátěže

Elektronické zátěže jsou přístroje, které slouží jako zátěžové rezistory pro testování kapacity napájecích zdrojů. Speciální vlastností těchto přístrojů je to, že je na nich možné elektronicky regulovat zátěžový proud a nastavit tak hodnotu odporu v požadovaném výstupním rozsahu. Většinu elektronických zátěží je možné programovat a tím zautomatizovat zkušební procesy s použitím různých podmínek. Tyto elektronické zátěže mají zpravidla větší rozměry (zejména na šířku), větší hmotnost a jsou velmi robustní. Vyžadují tak pro jejich instalaci v laboratoři vymezení určitého prostoru. K dispozici jsou však i rozměrově úspornější přístroje, jejichž konstrukce je proto uzpůsobena spíše do výšky. Elektronické zátěže jsou obvykle vybaveny displejem pro zobrazení příslušných parametrů, jako jsou režim ovládání a aktuální provozní režim. Většina z nich pak disponuje celou řadou komunikačních rozhraní jako je například USB port, CAN nebo RS232.

Přístroje pro měření frekvence

Měřič frekvence nebo také frekvenční čítač je laboratorní měřicí přístroj, který umožňuje měření frekvence střídavého elektrického napětí. Čítače zaznamenávají změny signálu v předdefinovaném časovém úseku tzv. „gate“. Tyto přístroje přitom mohou být vybaveny různou měřicí technologií. Nejjednodušší metodou je přímé čítání kmitočtu, při kterém tyto laboratorní přístroje zaznamenávají vstupní impulzy (oscilace) měřeného signálu nebo také průchod signálu s kladným sklonem skrze nulový bod v určitém časovém úseku. Zaznamenaný stav při určité časové základně pak odpovídá frekvenci elektrického signálu vyjádřený v jednotce Hertz. Při měření nízkofrekvenčního signálu není metoda s přímým čítáním jednotlivých impulzů příliš vhodná a používá se zde proto raději měření průběhu periody a reciproční čítání.

Generátory funkcí

Tyto přístroje mají za úkol generovat periodické signály s různým tvarem vlny. Nejběžnější průběhy signálu jsou sinusové, čtvercové, trojúhelníkové a pilovité. Frekvenci a amplitudu výstupního signálu můžete na tomto přístroji nastavit v určitém rozsahu. Generátory funkcí jsou většinou vybaveny mnoha dalšími volbami nebo frekvenčním čítačem. Generátory jsou k dispozici jako samostatné přístroje s displejem a ovládacími prvky a stejně tak i jako přenosné přístroje vybavené USB portem pro připojení a přenos dat do počítače.

Jednoduché přístroje jsou založené na technologii analogového přepínání a jsou vybavené oscilátorem a můžete je pořídit již za velmi příznivou cenu. Digitální přístroje jsou pak o něco dražší. Disponují však daleko vyšší přesností než analogové generátory funkcí. Digitální generátory funkcí generují signály metodou přímé digitální syntézy a mohou také generovat periodické průběhy.

Osciloskopy

Osciloskop je elektronický měřicí přístroj, který se používá k zobrazení průběhu elektrického napětí v čase. Změny v průběhu napětí se na displeji osciloskopu zobrazují v podobě oscilogramu, což je graf, který sestává z horizontální osy x a vertikální osy y. Osa x označuje čas, osa y pak napětí. Vzhledem k tomu, že měřicí technologie osciloskopu dokáží interpretovat řadu fyzikálních veličin, jako je hodnota napětí, patří osciloskopy mezi vysoce univerzální měřicí přístroje.

Napětí se u osciloskopů měří pomocí speciální sondy. Existuje přitom několik druhů měřicích sond. Hlavní rozdělení sond pro osciloskopy je na aktivní a pasivní sondy. Aktivní sonda má ve svém těle integrovanou elektroniku a ke svému provozu vyžaduje vlastní zdroj napájení. Tato sonda je vhodná pro měření vyšších frekvencí a je tak správnou volbou pro osciloskopy s příslušnou šířkou pásma (od 500 MHz). Pasivní sonda neobsahuje žádné aktivní komponenty a k jejímu provozu není zapotřebí napájení. Osciloskopy se uplatňují v praxi při každodenním měření a zejména při vyhledávání a odstraňování různých chyb v obvodu resp. připojené zátěži (spotřebiči). V moderních laboratořích se používají prakticky pouze osciloskopy s aktivní sondou.

Spektrální analyzátory

Spektrální analyzátory nezobrazují elektrické signály v časovém průběhu tak jako osciloskopy, ale mapují signál v jeho frekvenčním rozsahu. Tyto měřicí přístroje zobrazují sinusové funkce signálu s jeho frekvencí a amplitudou (tzv. frekvenční spektrum). Spektrální analyzátory neměří výkon, ale slouží především pro zobrazení napětí. Výkon energie však dokáží vypočítat ze sinusového napětí pomocí vstupních rezistorů. Funkci pro analýzu spektra elektrického signálu nabízejí i některé výkonnější osciloskopy. Přesto jsou tyto dodatečné funkce pro měření frekvence a výkonu nesrovnatelné s profesionálním „stand-alone“ spektrálním analyzátorem. Osciloskopy vybavené analyzátorem spektra jsou vhodné pouze pro nízkofrekvenční rozsah, zatímco výkonné spektrální analyzátory se používají především ve vysokofrekvenčním pásmu, například při vývoji a testování elektronických obvodů.

Datové USB moduly (Dataloggery)

Datové USB moduly (nebo také moduly pro sběr dat) je možné připojit a ovládat prostřednictvím USB rozhraní na vašem počítači. Tyto moduly umožňují sběr dat a jejich převod do příslušného binárního kódu a jejich další zpracování pro analýzu ve vhodném programu. Datové moduly jsou ideální pro záznam dat a analýzu z důvodu vyhledávání a odstraňování různých závad v elektrických a elektronických obvodech. Vyjma klasických datových modulů (dataloggery s integrovanou pamětí) jsou k dispozici i jiné měřicí přístroje, například USB osciloskopy nebo teploměry, které rovněž disponují paměťovými funkcemi.  

Důležitá kritéria pro nákup laboratorního měřicího přístroje

Při nákupu laboratorního měřicího přístroje je velmi důležitý správný výběr z hlediska oblasti jeho zamýšleného použití. Takový přístroj proto musí přesně splňovat individuální technické požadavky a mít potřebný výkon. Většina přístrojů pro různé použití je k dispozici jak v analogové tak i v digitální podobě. Při výběru je proto nezbytné jako první správně zvážit, které provedení přístroje bude zamýšlenému účelu sloužit nejlépe. Například digitální osciloskopy nabízejí oproti analogové verzi hned několik výhod. Na rozdíl od analogových osciloskopů, které zobrazují napětí pomocí elektronového paprsku, převádějí digitální osciloskopy elektrický signál na digitální výstup pomocí A/D převodníku, což umožňuje přenášet naměřené hodnoty do počítače a data ukládat (osciloskopy s paměťovými funkcemi). Mimo to jsou digitální osciloskopy (například výrobce Tektronix) obvykle vybaveny i dalšími měřicími funkcemi a možnostmi pro nastavení analýzy signálu se spuštěním v režimu „Pre-triggered“. Tato speciální funkce se využívá zvlášť pro mapování signálu před výskytem určité události v obvodu. V každém případě je možné konstatovat, že digitální laboratorní přístroje poskytují zpravidla daleko přesnější výstupy, než jejich analogová alternativa.

Moderní technologie však nemusí v praxi vždy znamenat jen větší výhody. Například dotykové displeje se mohou na první pohled jevit jako vysoce komfortní způsob obsluhy. Přesto tlačítka, různé ovladače a přepínače poskytují mnohem zajímavější pocit při obsluze přístroje a navíc je možné tyto prvky obsluhovat i v rukavicích (například při práci s chemikáliemi v laboratorním prostředí), což není u dotykového displeje možné. V závislosti na pracovním prostředí, které v laboratoři převládá, je důležité zvolit odpovídající stupeň ochrany měřicího přístroje a korespondující konstrukci. Použití přenosných laboratorních měřidel je vhodné v případě, že je potřeba provádět častá měření na různých místech. Stacionární měřicí přístroje jsou pak určené pro trvalý provoz na jednom místě. Z tohoto důvodu je také nezbytné zvážit možnosti pro připojení přístroje do elektrické sítě a vybrat vhodný napájecí zdroj (napájení z baterií nebo ze sítě).

Z důvodů uchování a dalšího zpracování dat by měl být každý laboratorní přístroj vybaven paměťovými funkcemi, popřípadě komunikačním rozhraním pro přenos dat do počítače. Většina osciloskopů je vybavena BNC konektory, HDMI nebo USB porty a případně i sloty pro paměťové mikro SD karty. Vyšší řada laboratorních přístrojů disponuje funkcí pro bezdrátový přenos dat v síti WLAN. 

Praktická rada pro správný výběr šířky pásma, sample rate a počet kanálů u osciloskopu

Při nákupu laboratorních měřicích přístrojů hraje hlavní roli technická specifikace. U osciloskopů je důležité věnovat pozornost zejména šířce pásma, vzorkovací frekvenci (sample rate) a počtu měřicích kanálů. Šířka pásma určuje maximální frekvenci všech složek analogového signálu. Tato hodnota by měla být nejméně 2x větší než očekávaná maximální měřená frekvence. Mnohdy je však daleko výhodnější zvolit laboratorní přístroj s 5násobnou šířkou pásma. Rychlost vzorkování (sampling) určuje přesnost výstupu a rozlišení naměřených hodnot. Doporučovaná vzorkovací frekvence je 5x a 10x vyšší než frekvence vstupního signálu. Počet vstupů (vstupních kanálů) odpovídá počtu měřených signálů. Osciloskop vybavený pouze jedním kanálem umožňuje měření pouze jednoho signálu. Při použití 4-kanálového osciloskopu pak můžete měřit až 4 elektrické signály najednou. Každý měřicí kanál by měl být dostatečně oddělen tak, aby nemohlo při samotném měření dojít ke zkratu.

Zdroj: Conrad