METROLOGIA. Dr inż. Eligiusz PAWŁOWSKI Politechnika Lubelska Wydział Elektrotechniki i Informatyki

Transkrypt

1 METOLOGIA Dr inż. Eligiusz PAWŁOWSKI Politechnika Lubelska Wydział Elektrotechniki i Informatyki Prezentacja do wykładu dla EINS Zjazd 13, wykład nr 0

2 Prawo autorskie Niniejsze materiały podlegają ochronie zgodnie z Ustawą o prawie autorskim i prawach pokrewnych (Dz.U. 199 nr poz. 83 z późniejszymi zmianami). Materiał te udostępniam do celów dydaktycznych jako materiały pomocnicze do wykładu z przedmiotu Metrologia prowadzonego dla studentów Wydziału Elektrotechniki i Informatyki Politechniki Lubelskiej. Mogą z nich również korzystać inne osoby zainteresowane metrologią. Do tego celu materiały te można bez ograniczeń przeglądać, drukować i kopiować wyłącznie w całości. Wykorzystywanie tych materiałów bez zgody autora w inny sposób i do innych celów niż te, do których zostały udostępnione, jest zabronione. W szczególności niedopuszczalne jest: usuwanie nazwiska autora, edytowanie treści, kopiowanie fragmentów i wykorzystywanie w całości lub w części do własnych publikacji. Eligiusz Pawłowski METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0

3 Uwagi dydaktyczne Niniejsza prezentacja stanowi tylko i wyłącznie materiały pomocnicze do wykładu z przedmiotu Metrologia prowadzonego dla studentów Wydziału Elektrotechniki i Informatyki Politechniki Lubelskiej. Udostępnienie studentom tej prezentacji nie zwalnia ich z konieczności sporządzania własnych notatek z wykładów ani też nie zastępuje samodzielnego studiowania obowiązujących podręczników. Tym samym zawartość niniejszej prezentacji w szczególności nie może być traktowana jako zakres materiału obowiązujący na egzaminie. Na egzaminie obowiązujący jest zakres materiału faktycznie wyłożony podczas wykładu oraz zawarty w odpowiadających mu fragmentach podręczników podanych w wykazie literatury do wykładu. Eligiusz Pawłowski METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 3

4 Tematyka wykładu Metody zerowe: mostkowa i kompensacyjna Mostki napięcia stałego czteroramienne Mostki napięcia stałego sześcioramienne Mostki niezrównoważone Mostki napięcia przemiennego METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0

5 Metody zerowe Metoda mostkowa obok metody kompensacyjnej należy do grupy metod zerowych. Pomiar metodą zerową polega na sprowadzeniu do zera sygnału równowagi, tzn. różnicy wielkości mierzonej X i wielkości znanej (kompensującej) X w. Wynikiem pomiaru wielkości mierzonej X jest wówczas znana wartość wielkości kompensującej X w. Czynności badania różnicy X - X w w mostku i sprowadzania jej do zera nazywamy równoważeniem mostka. ównoważenie realizowane jest za pomocą dwóch elementów: detektora zera i urządzenia równoważącego. Mostki prądu stałego mogą być równoważone jednym elementem, a mostki prądu przemiennego przynajmniej dwoma elementami. METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 5

6 Detektor wskaźnik równowagi Detektor (wskaźnik równowagi) jest elementem lub zespołem, który po doprowadzeniu doń różnicy X - X w jest zdolny sterować procesem równoważenia mostka. W mostkach prądu stałego jako wskaźniki równowagi stosuje się galwanometry magnetoelektryczne, wzmacniacze elektroniczne prądu stałego lub multimetry cyfrowe z odpowiednim niskim zakresem napięć stałych. W mostkach prądu przemiennego jako wskaźniki równowagi stosuje się miliwoltomierze napięcia przemiennego lub multimetry cyfrowe z odpowiednim niskim zakresem napięć przemiennych. METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 6

7 Metoda mostkowa Metoda mostkowa jest to metoda pomiarowa oparta na pomiarze (lub sprowadzeniu do zera) różnicy dwóch spadków napięcia, wywołanych przez to samo źródło zasilania, w obwodzie elektrycznym złożonym co najmniej z dwóch gałęzi równoległych. Charakterystyczną cechą dla tej metody jest niezależność wyniku pomiaru (w stanie równowagi układu) od wartości napięcia zasilającego. METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 7

8 Mostkowy układ pomiarowy - mostek Mostkowy układ pomiarowy (lub krótko: mostek) jest to czwórnik, w którym do jednej pary zacisków przyłącza się napięcie zasilające (lub prąd zasilający), a do drugiej wskaźnik równowagi (czuły wskaźnik prądu lub napięcia, np.: galwanometr). METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 8

9 Mostki schematy i oznaczenia Nie ma określonego jednolitego sposobu rysowania schematu mostków oraz systemu oznaczania elementów. Dlatego trzeba zawsze przeanalizować przyjęty sposób oznaczania. METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 9

10 Mostki nazewnictwo abcd wierzchołki (węzły) mostka 1 3 ramiona mostka a-b przekątna zasilania mostka c-d przekątna wskaźnika równowagi 1 gałąź górna mostka 3 gałąź dolna mostka G wskaźnik równowagi E 0 zasilanie mostka METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 10

11 Mostek czteroramienny warunki równowagi U ac U cb W stanie równowagi mamy: U = 0 U = U, U = U cd Czyli że: ac ad U = I U = I ac 1 1 cb 1 U = I U ad db = I 3 cb db U ad METOLOGIA EINS U db Po podstawieniu i przekształceniu: 1 = 3, a więc również: 1 = 3, a więc również: = 13 Zjazd 13, wykład 0 11

12 Mostek czteroramienny warunki równowagi 1 = = 13 = Wszystkie trzy warunki są sobie równoważne, trzeba tylko zwrócić uwagę na przyjęty sposób oznaczenia ramion mostka. Warto zapamiętać, że w stanie równowagi mostka iloczyny rezystancji przeciwległych ramion są sobie równe: = 13 METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 1

13 Mostki różne rodzaje pracy, nazewnictwo Należy rozróżniać cztery sformułowania: -mostek w stanie równowagi: wartości rezystancji spełniają warunek równowagi mostka, wskaźnik równowagi pokazuje zero, -mostek w stanie nierównowagi: wartości rezystancji nie spełniają warunku równowagi mostka, wskaźnik równowagi nie pokazuje zera, -mostek zrównoważony: podczas pomiaru doprowadzamy mostek do stanu równowagi, wynik pomiaru obliczamy z warunku równowagi mostka, gdy wskaźnik równowagi pokazuje zero, -mostek niezrównoważony: podczas pomiaru nie doprowadzamy mostka do stanu równowagi, w chwili wykonywania pomiaru mostek zazwyczaj jest w stanie nierównowagi, wynik pomiaru odczytujemy ze wskaźnika równowagi, który pokazuje zero tylko dla jednej wartości. METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 13

14 odzaje mostków prądu stałego Mostki czteroramienne: -ównoważone drutem ślizgowym - techniczny mostek Wheatstone a -ównoważone opornikami dekadowymi laboratoryjny mostek Wheatstone a Mostki sześcioramienne: -ównoważone drutem ślizgowym - techniczny mostek Thomsona -ównoważone opornikami dekadowymi laboratoryjny mostek Thomsona METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 1

15 Mostek techniczny Wheatstone a z drutem oporowym l l 1 = 3 x = 1 = l l 1 = l l1 l METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 15

16 Techniczny mostek Wheatstone a krzywa błędów Największe błędy w skrajnych punktach skali Najmniejsze błędy na środku skali METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 16

17 Techniczny mostek Wheatstone a schemat rzeczywisty Zmiana czułości Zmiana zakresu Załączanie zasilania METOLOGIA EINS Eliminacja dużych błędów w skrajnych położeniach Zjazd 13, wykład 0 17

18 Techniczny mostek Wheatstone a budowa Zmiana zakresu Załączanie zasilania Zmiana czułości ównoważenie mostka METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 18

19 Laboratoryjny mostek Wheatstone a - schemat ezystor równoważący ezystory stosunkowe x = = 1 3 METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 19

20 Laboratoryjny mostek Wheatstone a/thomsona - budowa METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 0

21 Laboratoryjny mostek Wheatstone a - błędy Na błędy pomiaru mostkiem Wheatstone a składają się: -błędy wykonania oporników mostka (0,0 0,05%), -rezystancja połączeń i styków w przełącznikach, -błąd nieczułości, -wpływ temperatury i innych czynników zewnętrznych, -występowanie sił termoelektrycznych. δ = δ + gr x gr + δ gr3 δ gr METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 1

22 Błąd nieczułości mostka Wheatstone a Błąd nieczułości mostka jest to najmniejsza względna zmiana rezystancji mierzonej, która wywołuje dostrzegalne odchylenie wskazówki galwanometru z położenia równowagi δ ncz x = xncz x W praktyce błąd nieczułości mostka wyznaczamy doświadczalnie rozregulowując rezystor. δ ncz x = xncz x = ncz METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0

23 Mostek Wheatstone a problem pomiaru małych rezystancji Problem stanowi ten punkt dołączenia galwanometru Pomiar małych rezystancji wymaga zastosowania oporników z zaciskami METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 3

24 Sześcioramienny mostek Thomsona (Kelvina) Spełnienie tej proporcji eliminuje wpływ rezystancji przewodu r ' 3 = 3 ' = ' ' 3 = 3, x = = 1 3 METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0

25 Laboratoryjny mostek Thomsona (Kelvina) - schemat Elementy dołączane z zewnątrz do mostka METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 5

26 Techniczny mostek Thomsona (Kelvina) - schemat ównoważenie za pomocą drutu ślizgowego Zmiana zakresu ' 3 = 3 ' x = 1 = N 3 METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 6

27 Techniczny mostek Thomsona budowa Pomiary od 0,5mΩ METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 7

28 Mostek Wheatstone a niezrównoważony 1 - charakterystyka I g = U Z 1 ( + ) + ( + ) + ( + ) [ ] 3 3 g 3 Wokół punktu równowagi dobra liniowość Daleko od punktu równowagi duża nieliniowość METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 8

29 Mostek Wheatstone a niezrównoważony - charakterystyka Wokół punktu równowagi dobra liniowość Symetryczna charakterystyka Daleko od punktu równowagi również dobra liniowość METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 9

30 Mostek Wheatstone a niezrównoważony - zastosowanie Tensometryczny przetwornik siły do wagi elektronicznej Mocowanie szalki Mocowanie do podłoża METOLOGIA EINS Naklejone tensometry w układzie mostka Wheastone a Zjazd 13, wykład 0 30

31 Mostek Wheatstone a niezrównoważony - zastosowanie Pelistorowy czujnik gazu Pelistory w układzie mostka Wheastone a METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 31

32 Mostki prądu przemiennego warunki równowagi W stanie równowagi mostka prądu przemiennego iloczyny impedancji przeciwległych ramion są sobie równe: Z = 1Z 3 Z Z Z1Z3 = ϕ1 + ϕ3 Z Z = ϕ + ϕ METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 3

33 Mostki prądu przemiennego wykres wskazowy Wykres wskazowy w stanie równowagi, AB - zasilanie, CD - wskaźnik zera METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 33

34 Mostek Maxwella do pomiaru indukcyjności dodatkowy rezystor r: L x = x = L w w 3 3 Ten sam ułamek W tym celu stosuje się dodatkowy rezystor r: Należy więc spełnić dodatkowo warunek: x L x = Lx + x = r L w w L w w METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 3

35 Mostek Wiena do pomiaru pojemności C x = C w 3 ( ) x = C + 3 METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 35

36 Wysokonapięciowy mostek Scheringa C x = C w C x = Cw METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 36

37 Mostek rezonansowy Warunki równowagi mostka: = 1 3 ω L C 1 1 = 1 Możliwy jest pomiar jednego z parametrów: L, C lub ω METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 37

38 Mostek z transformatorem różnicowym Warunek równowagi mostka: Z x = Z w METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 38

39 Mostek z dwoma transformatorami C x = C N 1 N 1 tgδ x = ω C METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 39

40 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ METOLOGIA EINS Zjazd 13, wykład 0 0