Narzędzia pomiarowe. Dr inż. Janusz MIKOŁAJCZYK

Transkrypt

1 Narzędzia pomiarowe Dr inż. Janusz MIKOŁAJCZYK

2 Tematyka wykładu: - proces pomiarowy, - wzorce, - przyrządy pomiarowe, - przetworniki pomiarowe,

3 Proces pomiarowy

4 Proces pomiarowy Proces pomiarowy ETAP I: - przejęcie sygnału ze źródła, - wyselekcjonowanie interesującej nas wielkości, - przetworzenie wielkości mierzonej na porównywalną, -dopasowanie wartości wielkości porównywalnej do zakresu urządzenia porównującego. ETAP II: podstawowa struktura procesu pomiarowego! - odszukanie wzorca w pamięci, - porównanie przetworzonej wielkości mierzonej z wzorcem, -przekazanie sygnału o wyniku porównania. ETAP III: - przetworzenie surowego wyniku na wielkość do dalszego opracowania, - dopasowanie wielkości, -opracowanie wyniku pomiaru według modelu matematycznego. ETAP IV: - przetworzenie wyniku dla ujawnienia wartości, - ujawnienie wyniku: analogowe (wychylenie wskaźnika, wykres,.), cyfrowe (wyświetlacz cyfrowy, wydruk, zapis w pamięci,.).

5 Narzędzia pomiarowe Wzorce

6 Wzorce Wzorce są to narzędzia pomiarowe odtwarzające jednostki miary lub ich wielokrotności. Od wzorców wymaga się: - niezmienności w czasie, - łatwej porównywalności, - łatwości odtwarzania, - łatwości stosowania, - dużej dokładności. Parametrami wzorca są: - nominalna miara wzorca, - niedokładność miary wzorca, - okres zachowania niedokładności miary wzorca, -warunki, w których miara i dokładność są zachowane.

7 Hierarchia wzorców Hierarchia wzorców: * Etalony (wzorce międzynarodowe, wzorce państwowe, I rzędu, II rzędu) * Wzorce użytkowe. Wzorce międzynarodowe Wzorce państwowe Wzorce odniesienia Wzorce robocze Użytkowe przyrządy pomiarowe

8 Państwowe wzorce jednostek miar GUM 1. długości 2. kąta płaskiego 3. kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji płaskospolaryzowanej fali świetlnej w widzialnym zakresie widma 4. ph 5. masy 6. gęstości 7. oporu elektrycznego 8. współczynnika załamania światła 9. pojemności elektrycznej 10. światłości 11. temperatury w zakresie od - 189,3442 C do 961,78 C 12. czasu i częstotliwości 13. strumienia świetlnego 14. indukcyjności 15. napięcia elektrycznego stałego

9 Wzorce napięcia Złącze Josephsona- napięcie rzędu mikrowoltów, stosuje się specjalne ogniwa ok złącz, dokładność 4 E-7 Ogniwo normalne Westona: ogniwo nasycone 1, V do 1, V, 40uV/K, roczny dryft 1uV, wrażliwe na wstrząsy i wibracje, małe obciążenie 20uA Ogniwa nienasycone 1,0180V do 1,0200V, odporne na zmiany temperatury Elektroniczne stabilizatory napięcia Kalibratory napięcia stałego

10 Wzorce prądu Waga prądowa- dokładność 3E-6 Wzorzec pośredni wzorzec napięcia i rezystancji Kalibratory prądu FLUKE5700, dokładność 75E-6

11 Wzorce prądu

12 Kalibratory

13 Wzorce częstotliwości Wzorzec cezowy 1s= drgań, błąd względny δ<10-13 Generatory pomiarowe małej częstotliwości (0,001Hz-200kHz), wielkiej częstotliwości (100kHz-150MHz), bardzo dużej częstotliwości (150MHz-30GHz) małej mocy (Pwy 0,1W), średniej (Pwy 10W), dużej (Pwy>10W) generatory napięć sinusoidalnych oraz funkcyjne (prostokątne, trójkątne i inne oraz szumów, dewiacyjne i in.) Dokładność generatora jest uwarunkowana stabilnością drgań, dokładnością wzorcowania, dokładnością naniesienia podziałki, zdolnością rozdzielczą. Typy generatorów: Generatory RC Generatory dudnieniowe Generatory wcz. z obwodem rezonansowym LC lub kwarcowe Syntezatory częstotliwości

14 Wzorce częstotliwości

15 Narzędzia pomiarowe Przyrządy pomiarowe

16 Przyrządy pomiarowe Przyrząd pomiarowy: Jest to narzędzie służące do przetwarzania wielkości mierzonej na wskazania lub równoważną informację. Przyrząd pomiarowy składa się najczęściej z kilku przetworników pomiarowych połączonych szeregowo lub równolegle ze sprzężeniem zwrotnym. Przyrządy pomiarowe klasyfikuje się wg różnych kryteriów np. według spełnianych funkcji. Przyrządy pomiarowe dzieli się na: - mierniki, - rejestratory, - liczniki, - detektory zera.

17 Przyrządy pomiarowe Miernik: Jest to przyrząd pomiarowy wyskalowany w jednostkach miary wielkości mierzonej. Rejestrator: Jest to przyrząd pomiarowy umożliwiający zapis mierzonej wielkości w funkcji czasu (rejestratory X-t ) lub w funkcji innej wielkości (rejestratory X-Y). Licznik: Jest to przyrząd pomiarowy wskazujący stopniowo narastającą w czasie wartość wielkości mierzonej. Detektor zera: Umożliwia stwierdzenie zaniku wielkości np. prądu, strumienia magnetycznego.

18 Przyrządy pomiarowe Ze względu na strukturę przyrządu wyróżniamy przyrządy o strukturze otwartej i zamkniętej (ze sprzężeniem zwrotnym) W przypadku przyrządów o strukturze otwartej przetwarzanie informacji pomiarowej odbywa się w jednym kierunku - od wielkości mierzonej X do wyjściowej Y. Przyrządy o takiej strukturze pozwalają wykonywać pomiary metodą odchyłową. Przyrządy o strukturach zamkniętych mają dwa tory przetwarzania: główny i sprzężenia zwrotnego. W tego typu przyrządach pomiar przeważnie wykonywany jest metodą kompensacyjną lub podstawieniową.

19 Schemat funkcjonalny przyrządu pomiarowego

20 Przyrząd analogowy Miernik wskazówkowy (analogowy), jest to miernik przeznaczony do wskazywania z określoną dokładnością wartości wielkości mierzonej za pomocą wskazówki materialnej lub świetlnej, przesuwającej się wzdłuż podziałki. Częścią składową każdego miernika jest ustrój pomiarowy. Czułością miernika nazywamy stosunek S= α / x mówiący o tym jaki przyrost odchylenia odpowiada jednostkowej zmianie wartości wielkości. Uchyb bezwzględny miernika jest to różnica między wartością wielkości mierzonej wskazaną przez miernik Xw, a wartość tej wielkości określoną za pomocą przyrządu kontrolnego Xo. Klasa dokładności parametr określający błąd pomiarów wykonywanych danym przyrządem Zakresem wskazań jest to przedział wartości wielkości mierzonej odpowiadający całej podziałce miernika. Zakres pomiarowy jest to część zakresu wskazań dla której spełnione są wymagania dotyczące dokładności pomiaru.

21 Miernik magnetoelektryczny Zasada działania miernika magnetoelektrycznego polega na działaniu pola magnetycznego magnesu trwałego na uzwojenie z prądem elektrycznym. F=B I L sinα Podstawowe właściwości miernika magnetoelektrycznego 1. Miernik reaguje bezpośrednio na prąd przepływający przez cewkę. 2. Kierunek przepływającego prądu decyduje o kierunku ruchu organu ruchomego. 3. Podziałka jest liniowa α = c I 4. Miernik jest odporny na zakłócenia polami zewnętrznymi ze względu na bardzo dużą indukcję magnetyczną, którą można uzyskać w wąskiej szczelinie między rdzeniem i nabiegunnikami.

22 Miernik elektromagnetyczny Zasada działania opiera się na przepływie prądu mierzonego w uzwojeniu nieruchomej cewki wciągającego ruchomy rdzeń stalowy zawieszony na sprężynie. Wciągnięcie rdzenia ferromagnetycznego do wnętrza cewki w której płynie prąd I powoduje zwiększenie się indukcyjności cewki, a więc wzrost zmagazynowanej w cewce energii magnetycznej. Charakteryzują się prostą i niezawodną konstrukcją (brak cewki ruchomej) lecz większym poborem mocy niż mierniki magnetoelektryczne. Stosowane są do pomiarów prądu i napięcia małej częstotliwości (amperomierze do 1500 Hz, woltomierze do 1 khz). Skala miernika jest nieliniowa.

23 Miernik elektrodynamiczny W ustroju elektrodynamicznym występują wzajemne oddziaływania dynamiczne dwóch przewodów z prądem. W rzeczywistości są to cewki nieruchoma i ruchoma. Cewka ruchoma obraca się na czopach wspartych na łożyskach. Prąd do cewki ruchomej doprowadza się za pomocą dwóch sprężyn spiralnych służących jednocześnie do wytwarzania momentu zwracającego. Do cewki ruchomej przymocowana jest wskazówka oraz skrzydło tłumika. Pod działaniem sił dynamicznych cewka ruchoma obraca się dookoła swej osi dążąc do zajęcia położenia przy którym kierunek jej pola magnetycznego będzie zgodny z kierunkiem pola cewki nieruchomej. Ze względu na złożoną konstrukcję i duży pobór mocy stosowane są wyłącznie jako watomierze.

24 Własności mierników analogowych Właściwości użytkowe mierników analogowych zakres pomiarowy, dokładność wskazań (klasa dokładności), pobór mocy, przeciążalność, właściwości dynamiczne, wielkości wpływające, takie jak: temperatura, wilgotność, obce pola magnetyczne, a dla mierników prądu zmiennego wpływ częstotliwości i kształtu krzywej na wskazania.

25 Pomiary napięcia i prądu woltomierz amperomierz multimetr

26 Pomiary rezystancji R 1 x max max R Rx R 1 R x R d R a A E K R x Omomierz szeregowy

27 Pomiary rezystancji

28 Rejestracja-oscyloskopy

29 Rejestracja-oscyloskopy

30 Rejestracja-oscyloskopy Schemat blokowy oscyloskopu dwukanałowego Schemat blokowy oscyloskopu analogowo-cyfrowego

31 Pomiar częstotliwości Schemat blokowy czasomierza Schemat blokowy częstościomierza

32 Narzędzia pomiarowe Przetworniki pomiarowe

33 Przetworniki pomiarowe Przetwornik pomiarowy - urządzenie, w którym jest realizowany proces przetwarzania sygnału pomiarowego. Proces przetwarzania - proces zamiany jednego sygnału na inny mu równoważny, w celu dogodnego wykorzystania informacji zawartej w sygnale. chemiczna energia wyjściowa Występujące w praktyce procesy przetwarzania dzielimy na: - przetwarzanie rodzaju sygnału, - przetwarzanie wartości sygnału, - przetwarzanie formy sygnału. energia modyfikująca magnetyczna elektryczna cieplna mechaniczna promieniowania hallotron promieniowania mechaniczna cieplna elektryczna magnetyczna chemiczna energia wejściowa promieniowania mechaniczna cieplna elektryczna magnetyczna chemiczna Przestrzeń przemian energetycznych w czujnikach

34 Klasyfikacja przetworników Stosowane są różne kryteria podziału przetworników pomiarowych: 1. Kryterium: sposób przetwarzania sygnału pomiarowego: przetworniki rodzaju sygnału; przetworniki wartości sygnału; przetworniki formy sygnału. 2. Kryterium: złożoność procesu przetwarzania: przetworniki proste; przetworniki złożone. 3. Kryterium: rodzaj wielkości fizycznej otrzymanej na wyjściu: przetworniki mechaniczne; przetworniki pneumatyczne; przetworniki optyczne; przetworniki elektryczne;...

35 Klasyfikacja przetworników c.d. 4. Kryterium: struktura przetwarzanych wielkości fizycznych: analogowe (A) b) cyfrowe (C) c) analogowo-cyfrowe (AC) d) cyfrowo-analogowe (CA). Wielkość analogowa wielkość ciągła - może przyjmować nieskończenie wiele wartości, różniących się od siebie o nieskończenie małe przyrosty. Wielkość dyskretna - nieciągła - przyjmuje tylko ściśle określone wartości różniące się między sobą o skończone wartości przyrostu. Najmniejszy możliwy przyrost elementarny kwant (ziarno) wielkości dyskretnej. 5. Kryterium: źródło energii zaangażowanej w procesie przetwarzania: generacyjne (czynne); Y = f (X) parametryczne (bierne). Y = f (X, e)

36 Funkcje elementarne systemu pomiarowego przetwarzanie natury fizycznej sygnału (sprowadzenie sygnału do postaci najwygodniejszej do dalszego przetwarzania, na ogół do postaci sygnału elektrycznego - napięciowego lub prądowego) przetwarzanie parametrów amplitudowych lub czasowych sygnału (przekształcanie sygnału z postaci analogowej na postać cyfrową) przetwarzanie kodu cyfrowego na napięcie lub czas (wytworzenie właściwego środowiska pomiarowego, zwrotne oddziaływanie na obiekt - programowanie wzorcowych wartości napięcia i czasu, dostosowanie danych w systemie do możliwości urządzeń wykonawczych) przetwarzanie danych (przekształcanie kodu cyfrowego w oparciu o automaty o stałym algorytmie lub programy komputerowe) przetwarzanie struktury sygnału (dopasowanie bloków funkcjonalnych systemu np. w celu przesyłania danych poprzez złącze interfejsu) koordynacja czasowa i przestrzenna (sterowanie).

37 Charakterystyki przetwarzania Charakterystyka statyczna określa odpowiedź sensora na stałę wymuszenie (odpowiedź po ustaniu procesów przejściowych). Termopara Sposób w jaki sensor odpowiada na gwałtowne zmiany sygnału wejściowego są nazywane jego charakterystyką dynamiczną. wy Przerzuty Wejście Pomiar możliwości reagowania sensora na szybkie zmiany sygnału wejściowego. Opóźnienie (czas odpowiedzi) Czas narastania Przerzuty Czas ustalania Opóźnienie Wyjście czas narastania czas ustalania we

38 Charakterystyki przetwarzania-przykład Połączenie 120 Różne metale Współczynnik rezystancji A T 1 E AB T T 2 B B Temperatura

39 Właściwości przetworników Wyjście Wyjście Zakres sygnału wyjściowego k Liniowość Zakres sygnału wejściowego Wejście Wyjście a Wejście Rozpiętość Zero Wejście

40 Właściwości przetworników c.d. we Dokładność i Oideal hh Rozdzielczość wy 22,0 21,5 21,0 Bias 20,5 20,0 19,5 Wartość rzeczywista Drift

41 Właściwości przetworników c.d. s 1 wy Powtarzalność pomiar 2 Czułość w y Δwy Δwe pomiar 1 S wy we w e we

42 Właściwości przetworników c.d. o Nasycenie o Histereza Xd Xs i o Martwa strefa i d Xd i

43 Elektryczne przetworniki generacyjne Zjawiska fizyczne wykorzystywane w budowie przetworników: indukcji elektromagnetycznej, piezoelektryczne, termoelektryczne, fotoelektryczne, elektrochemiczne,...

44 Przykłady przetworników generacyjnych

45 Przykłady przetworników generacyjnych

46 Przykłady przetworników generacyjnych

47 Elektryczne przetworniki parametryczne

48 Przykłady przetworników parametrycznych

49 Przykłady przetworników generacyjnych l i + - V

50 Przykłady przetworników generacyjnych

51 Przykłady przetworników generacyjnych

52 Przykłady przetworników generacyjnych