Zakład Metrologii i Systemów Pomiarowych Laboratorium Metrologii I. Grupa. Nr ćwicz.

Transkrypt

1 Laboratorium Metrologii I Politechnika zeszowska akład Metrologii i Systemów Pomiarowych Laboratorium Metrologii I Mostki niezrównoważone prądu stałego I Grupa Nr ćwicz kierownik Data Ocena 1. Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia jest badanie właściwości metrologicznych mostków niezrównoważonych prądu stałego w układach współpracy z wybranymi czujnikami rezystancyjnymi. 2. agadnienia: Mostek niezrównoważony prądu stałego o równych ramionach z jednym, dwoma i czterema czujnikami; Mostek niezrównoważony prądu stałego ze stosunkiem ramion z jednym czujnikiem; Właściwości statyczne czujników rezystancyjnych. 3. Wprowadzenie: Mostki niezrównoważone współpracujące z czujnikami rezystancyjnymi są powszechnie stosowane w pomiarach wielkości nieelektrycznych metodami elektrycznymi. Podstawowe zależności dla niezrównoważonego mostka Wheatstone a przy zasilaniu napięciowym przedstawia rysunek 1. ys. 1. Niezrównoważony mostek Wheatstone a (podstawowe zależności dla zasilania napięciowego) dla z 0 ' z przy + n n z 1

2 w z 2 4 n n W mostku występują cztery gałęzie czujnikowe z rezystancjami n i przyrostami rezystancji n. W stanie początkowym mostek jest zrównoważony ( n 0, wy 0). Mierzona wielkość X (np. temperatura) działając na rezystancyjny czujnik n zmienia jego rezystancję o ± n. miany rezystancji w gałęziach mostka powodują wystąpienie w przekątnej pomiarowej mostka sygnału niezrównoważenia w postaci prądu I W lub napięcia W. Dla stałej wartości napięcia z zasilającego mostek, związek między zmianą rezystancji w gałęziach czujnikowych a napięciem wyjściowym W określają statyczne charakterystyki przetwarzania (Tablica 1). 4 (1) Tablica 1. Niezrównoważony mostek Wheatstone a (podstawowe zależności dla zasilania napięciowego) miany rezystancji Napięcie wyjściowe (w ) 1 1 w ; W W z w ; W W Ogólnie mostki niezrównoważone mają nieliniowe charakterystyki przetwarzania. Jedynie dla wybranych konfiguracji i przy ograniczeniach zakresów odstrojenia od stanu równowagi mogą być przyjęte liniowe charakterystyki przetwarzania. Odstępstwo od charakterystyki liniowej można ocenić za pomocą błędu liniowości: W WL Δ max δ l lub δ l (2) W W max Podane definicje ilustruje rysunek 2. 2

3 ys. 2. Ilustracja do definicji błędów liniowości Szczególnym przypadkiem mostka niezrównoważonego jest mostek ze stosunkiem ramion (tablica 2). aletą tego układu jest możliwość wpływania na czułość i liniowość przetwarzania, co wykorzystuje się w różnego rodzaju układach kompensujących niepożądane wpływy wielkości fizycznych. Tablica 2. Niezrównoważony stosunkowy mostek Wheatstone a z jednym czujnikiem (podstawowe zależności dla zasilania napięciowego) kład mostka miana rezystancji: Napięcie wyjściowe w ( w ) Przybliżenie liniowe W dla << (n+1) Błąd nieliniowości mostka 1 3 ; 2 4 n n 1 2 ( n + 1) 1+ ( n + 1) n WL 2 ( n +1) W W δ l W Wl ( n +1) W niektórych przypadkach nieliniowy mostek niezrównoważony może spełniać rolę układu linearyzującego nieliniowy czujnik pomiarowy. Najlepszy skutek linearyzacji osiąga się wtedy, gdy charakterystyka przetwarzania mostka jest odwrotna (w znaczeniu matematycznym) względem charakterystyki czujnika. 3

4 4. Program ćwiczenia W ćwiczeniu należy zastosować następujący sprzęt laboratoryjny: model mostka rezystory 2a, 2b, 2c, 4a, 4b, 4c, 3, rezystory dekadowe nastawy wartości 1, 2, r, Pt100, Ni100, zasilacz stabilizowany nastawa wartości z, multimetr na zakresach napięcia stałego pomiar w, czujnik Pt100. ys. 3. Schemat modelu mostka z jednym czujnikiem 4.1. Połączyć układ mostka o równych ( 100) ramionach ze zmianą rezystancji w jednej gałęzi ( 1 ± ). kład modeluje mostek z jednym czujnikiem. równoważyć rezystorem r układ a następnie wyznaczyć zależność W f zmieniając 1 w zakresie od 100 do 110 z krokiem 1 i od 110 do 200 z krokiem 10.Przedstawić zależność na wykresie. Obliczyć błąd liniowości dla % 40%. W δ l 4.2. Połączyć mostek z różnicowymi zmianami rezystancji w gałęziach ( ± Δ ) i 1 2 ( m ). kład modeluje mostek z czujnikiem różnicowym. równoważyć mostek rezystorem r. mieniając z krokiem 10 od 0 do 100 wyznaczyć i przedstawić graficznie charakterystykę W f. 4

5 ys. 4. Schemat modelu mostka z czujnikiem różnicowym 1 2 W Przedstawić obliczeniowo i wykreślnie teoretyczne charakterystyki W f dla czterech czujników ( n 100±) w mostku z przyrostami jak na rysunku 5. względnić zmiany w zakresie od 0 do 100. ys. 5. Schemat modelu mostka z czterema czujnikami Omówić łącznie charakterystyki przetwarzania otrzymane w punktach 4.1, 4.2, i Połączyć układ mostka według schematu na rysunku 6. ezystancję czujnika Pt100 w zakresie temperatur ϑ od 50 do +150 o C odtwarzać za pomocą rezystora dekadowego wykorzystując statyczną funkcję przetwarzania podaną w Polskiej Normie PN-83/M

6 ys. 6. Mostkowy przetwornik temperatury w napięcie z czujnikiem Pt100 równoważyć wstępnie (dla ϑ 0 o C) mostek rezystorem r. Wyznaczyć z krokiem Δϑ 10 o C i narysować charakterystykę wy f(ϑ), Określić maksymalny błąd liniowości względem charakterystyki liniowej WL 1/ o C ϑ [ o C]. Jak można wytłumaczyć uzyskaną korzystną statyczną charakterystykę przetwarzania ϑ/ biorąc pod uwagę charakterystyki statyczne czujnika Pt100 i mostka niezrównoważonego? ϑ o C ϑ W ϑ o C ϑ W lmax 4.5. Połączyć mostek z rys. 6 z czujnikiem Pt100 znajdującym się w temperaturze otoczenia ϑ x. Przy przyjęciu modelu liniowego charakterystyki z czułością 1/ o C odczytać temperaturę otoczenia ϑ x. aobserwować zmiany temperatury ϑ x. ϑ x 4.6. Połączyć układ mostka według schematu na rysunku 7. ezystancję ϑ czujnika Ni100 w zakresie temperatur od 0 do 120 o C odtwarzać za pomocą rezystora dekadowego wykorzystując statyczną funkcję przetwarzania podaną w Polskiej Normie PN-83/M

7 równoważyć mostek rezystorem r dla temperatury ϑ0 o C. Wyznaczyć z krokiem 10 o C i narysować charakterystykę W f(ϑ) w zakresie od 0 o C do 120 o C. Ocenić nieliniowość charakterystyki. a) b) ys. 7. Schemat modelu mostka o równych ramionach z czujnikiem Ni100. a) mostek; b) charakterystyki statyczne czujnika Ni100 i mostka ϑ o C ϑ W δ l 4.7. Połączyć układ mostka według schematu na rysunku 8 (mostek stosunkowy n4,66). równoważyć mostek rezystorem r dla temperatury ϑ0 o C. Wyznaczyć z krokiem 10 o C i narysować charakterystykę W f(ϑ) w zakresie od 0 o C do 120 o C. Obliczyć błąd liniowości czujnika Ni100 dla ϑ120 o C oraz błąd liniowości mostka dla Δ 120 o i n 4,66. Czym jest uwarunkowany przyjęty stosunek ramion n 4,66? Omówić łącznie charakterystyki przetwarzania otrzymane doświadczalnie w punktach 4.6 i

8 ys. 8. Schemat modelu mostka stosunkowego z czujnikiem Ni100. ϑ o C ϑ W błąd liniowości Ni100 δ lc błąd liniowości mostka δ lm 4. Wnioski 5. Pytania kontrolne 1. Omówić zasadę działania mostka niezrównoważonego prądu stałego. Podać równanie mostka i narysować jego charakterystyki dla jednej, dwóch i czterech gałęzi czynnych. 2. Od czego zależy czułość mostka niezrównoważonego prądu stałego? 3. Omówić zastosowanie mostka niezrównoważonego prądu stałego do korekcji nieliniowości czujników rezystancyjnych. 4. Podać przykłady wykorzystania mostków niezrównoważonych prądu stałego w pomiarach wielkości nielektrycznych. Literatura 1. Marcyniuk A., Pasecki E. Pluciński M., Szadkowski B.: Podstawy metrologii elektrycznej. WNT, Warszawa Kowalczyk A.: Miernictwo elektryczne wielkości nieelektrycznych materiały pomocnicze do wykładu. OW Pz, zeszów Polska Norma PN-83/M charakterystyki termometryczne oporników (rezystorów) termometrycznych. 8