UNIWERSYTET TECHNOLOGICZNO-PRZYRODNICZY

IM. J. I J. ŚNIADECKICH W BYDGOSZCZY

WYDZIAŁ TELEKOMUNIKACJI I ELEKTROTECHNIKI

Z

AKŁAD

M

ETROLOGII

E

LEKTYRYCZNEJ I

E

LEKTRONICZNEJ

L

ABORATORIUM

M

ETROLOGII

SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA NR 6

Temat ćwiczenia: WSPOMAGANA KOMPUTEROWO
KALIBRACJA PRZETWORNIKÓW POMIAROWYCH

Autor sprawozdania:

Piotr Papierz

Grupa ćwiczeniowa:

Skład grupy ćwiczeniowej:

Jakub Muzioł
Łukasz Piotrowski
Piotr Papierz

Data wykonania ćwiczenia:

22.01.2014r.

Data oddania sprawozdania:

11.02.2014r.

Spis treści:

1. Cel ćwiczenia i wprowadzenie
2. Opis i schemat stanowiska laboratoryjnego
3. Tabele wyników pomiarów oraz wykresy
4. Wnioski

1. Cel ćwiczenia i wprowadzenie

Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z najważniejszymi problemami występującymi

w procesie kalibracji (wzorcowania) narzędzi pomiarowych, polegającym na eksperymentalnym
wyznaczaniu analitycznej postaci ich statycznej charakterystyki przetwarzania.

Słowo kalibracja miało do niedawna wąskie znaczenie i dotyczyło formowania otworu do

określonej średnicy za pomocą narzędzia zwanego przeciągaczem lub kalibratorem. W ostatnich
latach produkowane są wzorcowe, regulowane źródła różnych wielkości fizycznych: napięcia,
prądu, mocy, ciśnienia itp., przeznaczone do wzorcowania i sprawdzania narzędzi pomiarowych, a
nazywanych kalibratorami. Czynności związane z użyciem kalibratorów zaczęto nazywać
kalibracją. Tak więc pojęcie kalibracja (kalibrowanie), używane w metrologii, zastępuje pojęcie
wzorcowanie narzędzia pomiarowego, t.j. wykonywanie procedur związanych z badaniem
prototypów i badaniem typu, sprawdzaniem wskazań i badaniem wyrobu, adiustacją,
uwierzytelnianiem i legalizacją narzędzi pomiarowych.

2. Opis i schemat stanowiska laboratoryjnego

Ze względu na złożoność wzorów i obliczeń stanowisko pomiarowe zostało

skomputeryzowane, co znacznie skróciło czas wykonywania obliczeń i pozwoliło na
wyeliminowanie możliwych podczas ich wykonywania błędów. Zastosowane rozwiązanie
umożliwiło również zapis wyników pomiarów (w postaci tabelarycznej) do pliku *.csv oraz
wizualizację i opracowanie wyników pomiarów za pomocą pakietu MS Excel.

Schemat blokowy stanowiska dydaktycznego jest przedstawiony na rys 1. Obiektem badań

jest przetwornik P20Z-04.1.1.1.00.0 firmy LUMEL służący do ciągłego przetwarzania wartości
skutecznej napięcia przemiennego bez składowej stałej na znormalizowany sygnał stałoprądowy.
Rezystor dekadowy R

d

został zastosowany w celu badania wpływu rezystancji obciążenia na

zachowywanie źródła prądowego – wyjścia przetwornika. Napięcie wejściowe przetwornika jest
mierzone cyfrowym multimetrem typu VA38 DMM, skonfigurowanym do pomiarów prawdziwej
wartości skutecznej. Prąd wyjściowy przetwornika jest mierzony takim samym multimetrem,
skonfigurowanym do pomiarów prądu stałego. Multimetry współpracują z komputerem osobistym
poprzez swoje optyczne interfejsy USB. W systemie operacyjnym komputera multimetr taki
wykrywany jest jako wirtualny port szeregowy COM. Są one połączone za pomocą typowych kabli,
zakończonych standardowymi wtykami USB-A od strony komputera i firmowym złączem
optycznym od strony miernika.

Rys.1 : Schemat blokowy konfiguracji stanowiska dydaktycznego do

wyznaczania charakterystykstatycznych przetworników pomiarowych

Zmiana napięcia wejściowego odbywa się automatycznie za pomocą „zadajnika napięcia”,

którego schemat blokowy jest przedstawiony na rys.2. Napięcie wejściowe przetwornika pochodzi z
wyjścia 10-obrotowego potencjometru drutowego R

1

znajdującego się w zadajniku, zasilanego

napięciem sieciowym. Przesunięciem szczotki potencjometru steruje silnik krokowy, którego wał
połączony jest ze szczotką za pomocą odpowiedniego sprzęgła. Silnik krokowy jest sterowany
poprzez sterownik mikroprocesorowy typu SMC51 firmy Wobit z portu LPT komputera osobistego.

Konstrukcja przetwornika zapewnia separację galwaniczną sygnału wyjściowego od sygnału

wejściowego i zasilania. Jak już wspomniano przetwornik P20Z w wersji zastosowanej w modelu
laboratoryjnym przetwarza wartość skuteczną napięcia wejściowego w prąd wyjściowy.

Dane techniczne przetwornika P20Z-04.1.1.1.00.0:
· napięcie wejściowe 0-250V~,
· klasa dokładności- 0,2,
· sygnał wyjściowy- 0-5mA Robc=0-2000Ω.
Znamionowe warunki użytkowania:
· częstotliwość- 45-65Hz
· napięcie zasilania- 85-253V~
· częstotliwość napięcia zasilania 45-65Hz
· temperatura otoczenia +23°C
Błędy dodatkowe w znamionowych warunkach użytkowania spowodowane zmianami:
· częstotliwości wielkości wejściowej ± 1%/100Hz,
· temperatury otoczenia ± 1%/10°K.

Rys. 2 : Schemat ideowy „zadajnika napięcia” wejściowego

przetwornika P20Z

3. Tabele wyników pomiarów oraz wykresy

a) Kalibracja z rosnącym napięciem i rezystancją 1Ω

Kalibracja rosnąca 1Ω

Lp. Uwej [V]

Iwyj [mA]

ΔY/ΔX

Wzór prostej regresji

1

5,1933

0,1039

0,0200

Y= -0,0013289 + 0,0199751 X

2

24,8296

0,4952

0,0199

0,99999822

3

43,9358

0,8808

0,0202

4

63,5807

1,2661

0,0196

5

82,7600

1,6494

0,0200

6

102,1713

2,0362

0,0199

7

122,0113

2,4353

0,0201

8

141,5100

2,8238

0,0199

9

160,8193

3,2109

0,0200

10

180,5400

3,6060

0,0200

11

199,9267

3,9952

0,0201

Czułość S

Stała przetw.

S=ΔIwyj/Δuwej

C=1/S

0,0200

50,0364

0,0199751055 -0,001329

1,25755E-005 0,0015035

srednia X

srednia Y

102,47981818 2,0457162424

(Xi-X)(Yi-Y)

188,91312476 9464,6731057 3,770671
120,40071993 6029,5563837 2,4042123
68,200048557 3427,4020649 1,3570764
30,325373027 1513,1439886 0,6077599
7,8150213122 388,87122912 0,157056
0,0029500126 0,0951629017 9,14E-005

7,609291274 381,48008411 0,1517807

30,370051534 1523,3550928 0,6054662

67,9778112 3403,4990281 1,3577153

121,79915621 6093,3919855 2,4346102
189,97494622 9495,8882796 3,8006429

Σ(Xi-X)(Yi-Y)

833,38849404 41721,356405 16,647082

R

xy

=

a

1

oraz a

0

͡δa

1

oraz δa

0

(Xi-X)

2

(Yi-Y)

2

Σ(Xi-X)

2

Σ(Xi-X)

2

0,0000

100,0000

200,0000

300,0000

0,0000

0,5000

1,0000

1,5000

2,0000

2,5000

3,0000

3,5000

4,0000

4,5000

Iwyj [mA]

sub-title

Iwyj [mA]

b) Kalibracja z rosnącym napięciem i rezystancją 2kΩ

Kalibracja rosnąca 2kΩ

Lp. Uwej [V]

Iwyj [mA]

ΔY/ΔX

Wzór prostej regresji

1

5,3217

0,1038

0,0195

Y=

-0,0030828 + 0,0199690 X

2

24,4839

0,4870

0,0200

0,99999782

3

43,7738

0,8761

0,0202

4

63,5760

1,2632

0,0195

5

82,8460

1,6494

0,0200

6

102,1673

2,0351

0,0200

7

121,9287

2,4307

0,0200

8

141,5720

2,8207

0,0199

9

160,9053

3,2104

0,0202

10

180,7253

3,6061

0,0200

11

200,4380

4,0034

0,0202

Czułość S

Stała przetw.

S=ΔIwyj/Δuwej

C=1/S

0,0199

50,1430

0,0199689846 -0,003083

0,000013911 0,0016647

srednia X

srednia Y

102,52164424 2,044170303

(Xi-X)(Yi-Y)

188,60604953 9447,8317527 3,7651223
121,51472836 6089,8843239 2,4246486
68,622003879 3451,3092031 1,3644038
30,415391586 1516,7632055 0,6099146
7,7676223818 387,13097635 0,1558541
0,0032278797 0,1255362203 8,30E-005
7,5008729761 376,63251938 0,1493846
30,325322937 1524,9302848 0,6030605
68,086845913 3408,6551519 1,360014
122,15074984 6115,8169874 2,4397077
191,84128479 9587,6127248 3,8386071

Σ(Xi-X)(Yi-Y)

836,83410008 41906,692666

16,7108

R

xy

=

a

1

oraz a

0

͡δa

1

oraz δa

0

(Xi-X)

2

(Yi-Y)

2

Σ(Xi-X)

2

Σ(Xi-X)

2

0,0000

100,0000

200,0000

300,0000

0,0000

1,0000

2,0000

3,0000

4,0000

5,0000

Iwyj [mA]

sub-title

Iwyj [mA]

c) Kalibracja z malejącym napięciem i rezystancją 1Ω

Kalibracja malejąca 1Ω

Lp. Uwej [V]

Iwyj [mA]

ΔY/ΔX

Wzór prostej regresji

1

199,9780

3,9953

0,0200

Y= -0,0034854 + 0,0199755 X

2

180,3020

3,5984

0,0202

0,99999785

3

161,5087

3,2217

0,0200

4

141,4320

2,8213

0,0199

5

121,9887

2,4316

0,0200

6

102,6660

2,0453

0,0200

7

83,5140

1,6615

0,0200

8

63,3053

1,2578

0,0200

9

44,2292

0,8846

0,0196

10

24,9771

0,4971

0,0201

11

4,9209

0,0959

0,0200

Czułość S

Stała przetw.

S=ΔIwyj/Δuwej

C=1/S

0,0200

50,0263

0,0199755262 -0,003485

1,38033E-005 0,0016522

srednia X

srednia Y

102,62017333 2,0464065455

(Xi-X)(Yi-Y)

189,74003114 9478,5464133 3,7981857
120,56065077 6034,4661943 2,4086423
69,213223712 3467,8546471 1,3813931
30,075030443 1506,3578892 0,6004599

7,45997124

375,138534 0,1483483

-5,0404E-005 0,0021000834 1,21E-006

7,3544732981 365,04585944 0,1481684
31,004464355 1545,6566442 0,6219213
67,840182834 3409,5057668 1,3498409

120,2907996 6028,4416604 2,4002681

190,56253806 9545,1467072 3,804455

Σ(Xi-X)(Yi-Y)

834,10131504 41756,162416 16,661684

R

xy

=

a

1

oraz a

0

͡δa

1

oraz δa

0

(Xi-X)

2

(Yi-Y)

2

Σ(Xi-X)

2

Σ(Xi-X)

2

0,0000

100,0000

200,0000

300,0000

0,0000

1,0000

2,0000

3,0000

4,0000

5,0000

Iwyj [mA]

sub-title

Iwyj [mA]

d) Kalibracja z malejącym napięciem i rezystancją 2kΩ

Kalibracja malejąca 2kΩ

Lp. Uwej [V]

Iwyj [mA]

ΔY/ΔX

Wzór prostej regresji

1

199,7733

3,9878

0,0200

Y=

-0,0032723 + 0,0199658 X

2

180,1480

3,5944

0,0200

0,99999851

3

161,3873

3,2189

0,0200

4

141,5620

2,8230

0,0200

5

122,0387

2,4315

0,0201

6

102,5527

2,0422

0,0200

7

83,0493

1,6523

0,0200

8

63,4440

1,2604

0,0200

9

43,9493

0,8782

0,0196

10

24,4273

0,4858

0,0201

11

5,0482

0,0985

0,0200

Czułość S

Stała przetw.

S=ΔIwyj/Δuwej

C=1/S

0,0200

50,0687

0,0199657613 -0,003272

1,14882E-005 0,0013739

srednia X

srednia Y

102,48909879 2,0430005455

(Xi-X)(Yi-Y)

189,20221765 9464,2222911 3,7824005

120,4784238 6030,9049375 2,4067782

69,259972495 3469,0020326 1,3828022
30,477883577 1526,6916091 0,6084407
7,5940841443 382,18560425 0,1508956

-5,3432E-005 0,0040408752 7,07E-007

7,5951269666 377,90448093 0,1526469
30,556195007 1524,5197394 0,6124427
68,184418877 3426,9041395 1,3566516
121,55980104 6093,6496341 2,4249483

189,4755956 9494,7378511 3,7811472

Σ(Xi-X)(Yi-Y)

834,38366573 41790,72636 16,659155

R

xy

=

a

1

oraz a

0

͡δa

1

oraz δa

0

(Xi-X)

2

(Yi-Y)

2

Σ(Xi-X)

2

Σ(Xi-X)

2

0,0000

100,0000

200,0000

300,0000

0,0000

1,0000

2,0000

3,0000

4,0000

5,0000

Iwyj [mA]

sub-title

Iwyj [mA]

e) Charakterystyka znamionowa przetwornika

4. Wnioski

- korelacja liniowa R

xy

jest bliska wartości 1 więc można w tym przypadku mówić o korelacji

zupełnej
- porównując charakterystyke znamionową z charakterystyką uzyskana w trakcie prowadzenia
kolejnych kalibracji dla zmieniającej się rezystancji oraz rosnących bądz malejących napieć,
zauważamy, iż charakterystyka uzyskana w drodze doświadczalnej jest identyczna z
charakterystyką znamionową

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0

50

100

150

200

250

300

Charakterystyka znamionowa przetwornika

I [mA]

U

[V

]