Politechnika Rzeszowska Katedra Metrologii i Systemów Diagnostycznych Laboratorium Metrologii II WYZNACZANIE WŁAŚCIWOŚCI STATYCZNYCH I DYNAMICZNYCH PRZETWORNIKÓW Grupa: Nr. Ćwicz. 9 1... kierownik 2... 3... 4... Data Ocena I. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest przypomnienie podstawowych parametrów opisujących właściwości statyczne i dynamiczne przetworników oraz zasad eksperymentalnego ich wyznaczania. II. Zagadnienia 1. Charakterystyki i parametry określające statyczne właściwości przetworników i torów pomiarowych. 2. Linearyzacja charakterystyk statycznych, metoda regresji liniowej. 3. Sposoby opisu właściwości dynamicznych przetworników. 4. Metody i sygnały stosowane w badaniach właściwości dynamicznych. 5. Parametry charakteryzujące właściwości dynamiczne przetworników pierwszego i drugiego rzędu, transmitancje operatorowe, charakterystyki częstotliwościowe, odpowiedzi skokowe. 6. Błąd dynamiczny. III. Przebieg ćwiczenia 3.1. Wyznaczanie właściwości statycznych 1. Zestawić układ do wyznaczania charakterystyki statycznej ultradźwiękowego czujnika przesunięcia z przetwornikiem przesunięcie/napięcie. W tym celu należy: podłączyć sygnał wyjściowy z przetwornika na wejście multimetru i wybrać pomiar napięcia. Podłączyć zasilanie przetwornika do zasilacza napięcia stałego i ustawić napięcie 20V; ustawić przeszkodę odbijającą ultradźwięki na 20 cm (minimalna mierzona odległość); włączyć zasilanie przetwornika i multimetr. 2. Wykonać pomiary napięcia dla zmian położenia przeszkody w zakresie 20-80 cm z krokiem 2 cm. Wyniki pomiarów zanotować w tabeli 1 i wprowadzić do programu MS Excel w ten sposób, aby w kolumnie A znalazły się wartości odległości położenia przeszkody (h) a w kolumnie B odpowiadające im wartości napięcia (U). 3. Narysować zależność U= f(h) wykorzystując opcję Typ wykresu: XY (punktowy) z punktami połączonymi liniami. ćw. 9 / str. 1
4. Przeprowadzić linearyzację charakterystyki U= f(h) metodą regresji liniowej. W tym celu po kliknięciu na uzyskanym przebiegu prawym klawiszem myszy należy wybrać opcję Dodaj linię trendu Typ: liniowy, Opcje: Wyświetl równanie na wykresie. Uzyskane równanie prostej U Lin = f (h) w postaci ax + b zanotować w sprawozdaniu. 5. Wykorzystując otrzymaną zależność w kolumnie C arkusza obliczyć wartości funkcji U Lin = f (h) dla h = 20,22,24 80. 6. W kolumnie D arkusza obliczyć wartości błędów nieliniowości Δ NL (h) = U Lin (h) - U(h) a w kolumnie E błędy względne odniesione do wyjścia δ NL (h) = Δ NL (h) /(U max U min ) dla h = 20,22,24 80. Znaleźć i zanotować w sprawozdaniu wartości maksymalne błędów Δ Nlmax i δ NLmax. 7. Na podstawie charakterystyki U Lin = f (h) określić czułość S = ΔU Lin /Δh i stałą C = 1/S układu. Wyniki zanotować w sprawozdaniu. 3.2. Wyznaczanie właściwości dynamicznych 8. Otworzyć wskazaną przez prowadzącego aplikację mod_dyn*.dsb w środowisku DASYLab. W oknie właściwości modułu Generator00 (okno właściwości otwiera się po dwukrotnym kliknięciu na ikonie modułu) ustawić następujące parametry: Frequency: 3 Hz; Amplitude: 0,5; Offset: 0,5; Wave Form: Square. 9. Uruchomić program i na podstawie uzyskanych przebiegów odpowiedzi skokowych dokonać identyfikacji typów przetworników, których modele zawierają obiekty BlackBox00-02. W celu ułatwienia obserwacji należy zatrzymać program i wykorzystując przyciski (Zoom i Unzoom) przeskalować osie czasu tak, aby w oknach wykresów uzyskać pojedynczy przebieg wymuszenia x(t) i odpowiedzi y(t). 10. Dla modelu przetwornika I rzędu powiększyć okno wizualizacji przebiegów i wyznaczyć następujące parametry: czas połówkowy T 0,5, stałą czasową T, czas ustalania T u = T 0,95 lub T u = T 0,99 oraz określić wzmocnienie k. Pomiary wykonać operując kursorami, które uaktywnia się przyciskiem. Wyniki zanotować w sprawozdaniu. 11. Dla czasów t = T 0,5, T, T u określić wartości bezwzględnych i względnych błędów dynamicznych Δ DYN (t) = y(t) x(t); δ DYN (t) = Δ DYN (t) /x(t) max. Potrzebne wielkości odczytać z odpowiednich charakterystyk przy pomocy kursorów. Wyniki zestawić w tabeli 2. Jakie maksymalne wartości mogą przyjąć błędy dynamiczne Δ DYN (t), δ DYN (t) i dla jakiego czasu t to nastąpi? W sprawozdaniu narysować przebieg odpowiedzi skokowej przetwornika I rzędu i zaznaczyć na nim parametry: T, T u, Δ DYN (T), Δ DYN (T u ), Δ DYNmax. 12. Zarejestrować odpowiedź czujnika Pt-100 na skok temperatury i wyznaczyć stałą czasową. W tym celu należy: podłączyć sygnał wyjściowy z czujnika na wejście multimetru MXD-4660A i ustawić pomiar rezystancji, zakres 200 Ω; sprawdzić podłączenie multimetru na port COM1 komputera PC; włączyć multimetr, uruchomić program DASYLab i otworzyć aplikację rejestracja.dsb; ćw. 9 / str. 2
uruchomić program i zrealizować wymuszenie skokowe przez umieszczenie czujnika w wybranym ośrodku o temperaturze wyższej niż temperatura otoczenia; po zarejestrowaniu odpowiedzi zatrzymać program i przy pomocy kursorów określić stałą czasową czujnika. Wynik pomiaru zanotować w sprawozdaniu. Dane techniczne czujnika pomiarowego UM30-13113 Wyprowadzenie zacisków czujnika Przewody: 1 (brown) zasilanie 2 (white) wyjście czujnika 3 (blue) - masa 4 (black) nie podłączony 5 (gray) nie podłączony. Rys.1 Wymiary czujnika Rys.2. Obsługa czujnika ćw. 9 / str. 3
Parametry: Parametr Wartości parametrów Obsługa skanowania zasięgu Strefa działania 200... 1300 mm (2000) Częstotliwość pracy 200 khz temperatura pracy (-20 do +30) ºC rozdzielczość Powtarzalność Dokładność 0,36 mm ± 0.15 % ostatniej wartości 2 % ostatniej wartości Napięcie zasilania Vs 12 30 V DC 1). Prąd zużycia 2). 3). 4). Analogowe wyjście, odwracające Q Czas reakcji 5). Czas opóźnienia 70 ma A : 4... 20 ma / 0... 10 V 110 ms 2 s Temperatura otoczenia 6). Operacji 20 C... +70 C Przechowywania 40 C... +85 C Waga 260 g IV. Wyniki pomiarów i obliczeń 4.1. Wyznaczanie właściwości statycznych Tabela 1. Lp. h [cm] U [V] Lp. h [cm] U [V] 1 20 17 2 18 3 19 4 20 5 21 6 22 7 23 8 24 ćw. 9 / str. 4
9 25 10 26 11 27 12 28 13 29 14 30 15 31 16 Równanie prostej uzyskane metodą regresji liniowej:... Δ NLmax = [U Lin (h) U(h)] max = NLmax NLmax 100 = U U max min S = ΔU Lin /Δh = C = 1/S = 4.2. Wyznaczanie właściwości dynamicznych T 0,5 = T = T u = k = Tabela 2. Lp. t Δ DYN (t) = y(t) x(t) [ ] δ DYN (t) = Δ DYN (t) /x(t) max 100 [ ] 1 T 0,5 2 T 3 T u ćw. 9 / str. 5
Amplituda [ ] Czas [ ] Stała czasowa czujnika temperatury Pt-100: T = V. Wnioski VI. Pytania kontrolne 1. Omówić parametry opisujące właściwości statyczne przetworników: równanie przetwarzania, statyczna charakterystyka przetwarzania, czułość, stała przetwornika, błąd nieliniowości, zakres pomiarowy. 2. Podać definicję błędu dynamicznego. ćw. 9 / str. 6
3. Wyjaśnić różnice pomiędzy pomiarem statycznym i dynamicznym oraz błędami statycznymi i błędem dynamicznym. 4. Omówić metody badania właściwości dynamicznych przetworników. 5. Omówić sygnały testowe stosowane w badaniach właściwości dynamicznych. 6. Narysować odpowiedzi skokowe przetworników pierwszego i drugiego rzędu (oscylacyjny i aperiodyczny) i zaznaczyć parametry charakterystyczne tych odpowiedzi. 7. Omówić sposoby wyznaczania stałej czasowej na podstawie odpowiedzi skokowej przetwornika pierwszego rzędu. Literatura 1. Szadkowski B. (red): Laboratorium metrologii elektrycznej i elektronicznej cz. II, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1994. 2. Hagel R., Zakrzewski J.: Miernictwo dynamiczne. WNT, Warszawa 1984. 3. Kwiatkowski W.: Miernictwo elektryczne. Analogowa technika pomiarowa. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1994. 4. Michalski L., Eckersdorf K. Pomiary temperatury. WNT, Warszawa 1986 5. Chwaleba A., Poniński M., Siedlecki A.: Metrologia elektryczna. WNT, Warszawa 1998. ćw. 9 / str. 7