Błędy pomiarowe
Wpływ na wszystkie bez wyjątku pomiary mają różnorodne niepewności, określenia intensywności rozmiaru tych niepewności i sposobów ich zmniejszenia do wymaganych granic ma zasadniczy wpływ na postępy technologiczne w tym poziom cywilizacyjny społeczeństw. Rachunek błędów tj. analizowanie tych niepewności jest niezwykle istotne w każdym procesie pomiaru. Wyniki pomiarowe nigdy nie są całkowicie dokładne. Błędy występujące w pomiarach to niemożliwe do uniknięcia niepewności związane nierozerwalnie z istotą pomiarów, nie oznaczają one pomyłek. W praktyce zwykle dąży się by były one możliwie jak najmniejsze, to z kolei wymaga znalezienia, poszukiwania właściwego efektywnego szacowania ich wielkości, ich poziomów. Występowania błędów pomiarowych niepewności to zjawisko nieuchronne. Prostą a jednocześnie jedną z najlepszych metod oceny wiarygodności pomiarów jest wielokrotne powtarzanie pomiaru i badanie, analiza otrzymanych wyników. Analizę takich pomiarów przeprowadza się metodami statystycznymi. Niepewności pomiarowe dzielą się na 2 rodzaje:
-niepewności przypadkowe, które mogą być analizowane metodami statystycznymi;
niepewności systematyczne, które nie analizuje się wręcz nie można analizować metodami statystycznymi.
Błędy systematyczne:
błędy stałe;
błędy zmienne.
Podstawą tego podziału jest zachowanie się ich przy powstawaniu pomiaru. Innym kryterium podziału błędów statystycznych jest podział wg przyczyn, które je wywołują. Dzielą się na:
błędy dodatkowe;
błędy wzorcowania;
błędy metody.
Źródłami błędów metody mogą być:
sposób pobierania informacji o wielkości mierzonej
właściwości narzędzia pomiarowego
właściwości sposobu opracowywania wyników pomiarów.
Błąd metody - można zmniejszać przez zastosowanie innej bardziej poprawnej metody bądź przez wprowadzenie do wyników pomiarów poprawki.
Przyczynami błędów wzorcowania to:
niedokładności miary wzorca
niedokładności aproksymacji pierwotnej charakterystyki wzorcowania
zmiana właściwości narzędzi pomiarowych od chwili ich wzorcowania do chwili użycia w eksperymencie
Zmniejszenie błędów wzorcowania jest możliwe przez eliminacje źródeł ich powstawania. Podstawowymi źródłami błędów dodatkowych są zmiany właściwości narzędzi pomiarowych będące wynikiem odmienności warunków pomiaru w stosunku do warunków odmierzania.
Do najczęściej używanych sposobów eliminacji błędów dodatkowych należą:
odpowiedni dobór parametrów konstrukcji narzędzi pomiarowych
kompensacja błędów za pomocą dodatkowych elementów korekcyjnych do wyników pomiarów poprawek.
Wprowadzanie poprawek to procesy czasochłonne jest to jednak bardzo skuteczna forma eliminacji błędów. Aby obliczyć poprawkę niezbędna jest znajomość nie tylko właściwości narzędzia pomiarowego lecz także bieżący pomiar wielkości wpływających, stąd we współczesne narzędziach i systemach pomiarowych poprawki obliczane są przez wbudowane przyrządy pomiarowe - mikroprocesory. Całkowita eliminacja błędów systematycznych jest niemożliwa, można zmniejszać oczywiście tylko ich poziom. Ta pozostałość błędu systematycznego nazywamy niekiedy błędem resztkowym stanowi składową błędów przypadkowych i wpływa na ich rozkład. W wyniku pomiaru zmienna losowa przyjmuje tylko jedną wartość spośród zbioru wszystkich możliwych wartości. Zmienne losowe błędów mogą być skokowe lub ciągłe. Zmienne skokowe przyjmują w przestrzeni zdarzeń elementarnych tylko pewne wartości dyskretne występują zatem wtedy, gdy przestrzeń zdarzeń elementarnych ma skończoną liczbę zdarzeń rozłącznych, niezależnych. Natomiast zmienne losowe ciągłe mogą przybierać wszystkie wartości z pewnego przedziału, który w poszczególnych przypadkach może być skończony.
Mierniki elektromagnetyczne
Zasada działania i budowa ustroju
Mierniki magnetoelektryczne są to mierniki, w których odchylenie organu ruchomego jest wywołane działaniem pola magnetycznego magnesu trwałego na cewkę, przez którą płynie prąd. Ruchomy może być magnes trwały albo cewka z prądem. W pierwszym przypadku ustrój albo miernik nazywany jest magnetoelektrycznym o ruchomym magnesie, w drugim natomiast - magnetoelektrycznym o ruchomej cewce. Bardziej rozpowszechnione są mierniki magnetoelektryczne o ruchomej cewce.
Bieguny magnesu ustroju (rys. 6.2a)mają nabiegunniki wykonane ze stali magnetycznie miękkiej w kształcie walca. W środku znajduje się nieruchomy rdzeń cylindryczny wykonany z tego samego materiału. W wytworzonej przez nabiegunniki i rdzeń równomiernej szczelinie o kształcie pierścienia jest umieszczona ruchoma cewka, zwykle o kształcie prostokątnym. Tworzą ją najczęściej zwoje miedzianego izolowanego drutu, nawinięte na aluminiowej ramce. Cewka może być również wykonana bez ramki i nasycona lakierem. Na jej częściach czołowych są umocowane obsady z wyprasowanymi czopami lub uchwyty do mocowania taśm zawieszeniowych.
Cewka może obracać się wokół swej osi. Jeżeli przez uzwojenie płynie prąd stały, doprowadzony przez spiralne sprężyny lub taśmy zawieszeniowe, to na każdy jej bok znajdujący się w szczelinie działa siła F, która zależy od indukcji magnetycznej B, prądu I, głębokości l zanurzenia boku w polu magnetycznym oraz liczby N jej zwojów. Kąt odchylenia organu ruchomego jest więc proporcjonalny do prądu w cewce.
Amperomierze
Najprostszym miernikiem magnetoelektrycznym jest amperomierz bezpośredni. W amperomierzu tym cały mierzony prąd płynie przez ustrój pomiarowy. Zrozumiałe jest, że ze względu na sprężyny lub taśmy zawieszenia i obciążalność cewki prąd doprowadzony nie może być duży. Stąd też największy prąd znamionowy amperomierzy bezpośrednich nie przekracza na ogół 25mA. Najmniejszy prąd znamionowy tych amperomierzy wynosi kilka mikroamperów.
Najczęściej występującym błędem dodatkowym w amperomierzach bezpośrednich jest błąd temperaturowy. Przy zmianie temperatury otoczenia, np. przy wzroście o 10oC:
zwiększa się rezystancja uzwojenia cewki miedzianej o ok. 4%;
zwiększa się rezystancja sprężyn wykonanych z fosforobrązu o 2%;
zmniejsza się moment zwracający sprężyn o ok. 0,4%, a więc przy niezmienionej wartości prądu zwiększa się odchylenie organu ruchomego miernika o ok. 0,4%(błąd dodatni);
zmniejsza się indukcja magnetyczna magnesu trwałego o 0,1% do 0,3%, a więc o tyle procent zmniejsza się odchylenie organu ruchomego(błąd ujemny).
Zmiana rezystancji ustroju nie powoduje powstania błędu dodatkowego, gdyż prąd w mierniku jest wymuszony. Tak więc amperomierze bezpośrednie mogą być budowane we wszystkich klasach dokładności.
W celu zwiększenia zakresu pomiarowego amperomierza ponad 25mA bocznikuje się jego cewkę za pomocą opornika zwanego bocznikiem. Przez cewkę płynie wówczas tylko część mierzonego prądu, a reszta - przez bocznik.
Woltomierze
Magnetoelektryczny ustrój pomiarowy z szeregowo włączonym opornikiem Rd wykonanym z manganianu, konstantanu lub innego materiału o małym współczynniku temperaturowym rezystancji, umożliwia pomiar napięcia. Napięcie mierzone U wymusza w woltomierzu prąd.
Poszerzenia zakresu pomiarowego woltomierza dokonuje się przez zwiększenie rezystancji układu. Włączenie szeregowo dodatkowego opornika o rezystancji Rd1=(p-1)(Rd+r) zwiększa rezystancję miernika p-razy.
W obwodach elektronicznych pomiary napięcia przeprowadza się za pomocą woltomierzy o bardzo małym prądzie znamionowym, a więc o dużej rezystancji wewnętrznej.
Omomierze
Omomierze są to mierniki przeznaczone do pomiaru rezystancji. Rozróżnia się dwa rozwiązania układowe omomierzy:
omomierze o układzie szeregowym(szeregowe)
omomierze o układzie równoległym(równoległe).
Megaomomierze
Megaomomierze są to mierniki przeznaczone do pomiaru rezystancji izolacji czyli do pomiaru bardzo dużych wartości rezystancji. Stosuje się w nich odmianę ustroju magnetoelektrycznego zwaną magnetoelektrycznym ustrojem ilorazowym lub logometrem magnetoelektrycznym.
Oscyloskop
Podstawową składową oscyloskopu jest jego lampa oscyloskopowa na ekranie której powstaje obraz świetlny badanych wielkości fizycznych Natomiast w oscyloskopie cyfrowym badany jest przebieg przechowywany w pamięci cyfrowej a następnie w dowolnym czasie może być zobrazowany na ekranie lampy oscyloskopowej bądź na ekranie monitora bądź wyrysowany na papierze za pomocą plotera bądź drukarki. Aktualnie wytwarzane są w świecie oscyloskopy analogowe, z lampą pamiętającą, próbkujące(sameplink) i oscylatory cyfrowe. W analogowym oscyloskopie obraz przebiegu jest rysowany na ekranie lampy oscyloskopowej, w czasie rzeczywistym co oznacza, że plamka świetlna porusza się na ekranie w takt zmian przebiegu i upływu czasu. Podstawowe parametry oscyloskopu analogowego to: pasmo oscyloskopu, czas narastania, współczynnik odchylania, współczynnik czasu i liczba torów wejściowych. Parametry pola pomiarowego lampy oscyloskopowej jak i parametry konstrukcyjne.
Pasmo oscyloskopu zaczyna się zwykle od częstotliwości bliskiej zeru a za górną częstotliwość przyjmuje się wartość przy, której częstotliwość wzmocnienie maleje o 3dB. Wzmocnienie maleje w stosunku do częstotliwości małej.
Charakterystykę częstotliwości oscyloskopu kształtuje się tak by obraz impulsu prostokątnego był mało zniekształcony bez przerostów i innych zniekształceń. Można wykazać, że obowiązuje zależność tr=350/fg gdzie tr - czas narastania oscyloskopu w nanosekundach, fg - oznacza górną częstotliwość przenoszenia pasma oscyloskopu przy której wzmocnienie maleje o 3dB [MHz], np. ze wzoru wynika ze fg=350MHz tr odpowiada 10 nanosekund. Można uzyskać dwiema drogami 2 tory w oscyloskopie za pomocą przełącznika elektronicznego, który przetwarza na lampę oscyloskopową raz przebieg z toru 1 a raz z toru 2, bądź za pomocą drugiej strumieniowej lampy oscyloskopowej. Oscyloskop z lampą dwustrumieniową pozwala na fotograficzną rejestrację dwu różnych przebiegów powtarzalnych wystarcza oscyloskop z lampą jednostrumieniową i z przełącznikiem elektronicznym. Wartość pełnego napięcia przyśpieszającego jakie występuje miedzy ekranem a katodą określa jaskrawość obrazu. Im większe jest napięcie tym krótszy przebieg jednorazowy lub krótkotrwały przebieg o małej częstotliwości powtarzania może być zaobserwowany.
Oscyloskop z lampą pamiętającą
To oscyloskop analogowy wyposażony w specjalną lampę pamiętającą, która umożliwia obserwację sygnału przebiegu jak w oscyloskopie ze zwykłą lampą, tj. w czasie rzeczywistym lub zapamiętanie wewnątrz lampy obrazu przebiegu jednorazowego bądź powtarzalnego i wyświetlanie go przez pewien czas na ekranie.
Oscyloskop próbkujący
Przeznaczony jest do pomiarów bardzo szybkich przebiegów powtarzalnych. Jego działania polega na sukcesywnym pobieraniu próbek sygnału kolejno z innego fragmentu przebiegu za każdym następnym okresem a następnie złożenia całego obrazu z kropek próbek i wyświetlenie go na ekranie. Te oscyloskopy pozwalają na pomiar przebiegów powtarzalnych w paśmie od 0Hz do kilkudziesięciu GHz.
Oscyloskopy cyfrowe
Działanie oscyloskopu cyfrowego polega na pobieraniu próbek badanego sygnału równych wartości chwilowych sygnału w czasie próbkowania oraz na zmianie wartości próbki na słowo cyfrowe zapamiętaniu go następnie w pamięci cyfrowej. Raz zapamiętany w pamięci cyfrowej może być wyświetlony na ekranie. Można dokonywać na obserwowanym i zapamiętanym cyfrowo różnorodne dodatkowe operacje jak np. oglądanie fragmentów przebiegów, wprowadzanie dodatkowych operacji np. synfazowo dodawanie odcinków obserwowanego przebiegu składowych losowych i okresowych. Ważną rolę oscyloskopu cyfrowego to cyfrowa rejestracja przebiegów.
Działanie i budowa lampy oscyloskopowej
Składa się z 3 podstawowych części:
wyrzutni elektronowej, która emituje i skupia elektrony w cienką wiązkę
systemu odchylającego strumień elektronów
ekranu wysyłającego światło pod wpływem bombardowania elektronami.
Całość jest zamknięta zwykle w balonie szklanym z którego usunięto powietrze.
Strumień elektronów odchylany jest polem elektrycznym za pomocą płytek odchylających lub polem magnetycznych za pomocą cewek odchylających. Cewki odchylające wymagają do wytworzenia odpowiedniego silnego pola magnetycznego przepływu dość dużego prądu a indukcyjność i pojemność cewek ograniczają zakres częstotliwości ich stosowania. Z tych powodów z reguły stosowane są lampy z odchylaniem elektrycznym
Mierzony sygnał przez tłumik oscyloskopu wyjściowy o skokowej regulowanej wartości tłumienia steruje wzmacniacz odchylenia pionowego na wyjściu którego uzyskuje się wzmocniony symetryczny przebieg sterujący płytki y lampy oscyloskopowej. Pokrętło płynnej regulacji współczynnika odchylania zmienia wzmocnienie umożliwiając uzyskanie obrazu przebiegu o dogodnej do pomiaru wysokości. Natomiast pokrętło przesuwa Y ustala położenie obrazu na ekranie w kierunku pionowym. Z toru wzmacniacza Y zostaje pobrana z części mierzonego sygnału, która synchronizuje podstawę czasu w oscyloskopie zmierzonym przebiegiem. Ten sygnał synchronizujący steruje układy wyzwalania i generacji podstawy czasu. Układ podstawy czasu generuje piłokształtne napięcie liniowo-narastające. To napięcie po wzmocnieniu we wzmacniaczu odchylania pionowego X steruje symetrycznie płytki odchylania X liniowo-zmieniające się napięcie na płytkach X odchyla plamkę na ekranie w kierunku poziomym dając liniową podstawę czasu. Układ wyzwalania wytwarza prostokątny impuls rozjaśniający, który steruje wzmacniacz jaskrawości ten impuls jest zgodny w czasie z napięciem piłokształtnym podstawy czasu w efekcie rozjaśnia się plamka na ekranie tylko na czas rysowania obrazu przy ruchu plamki w prawo. Przy ruchu powrotnym plamki z prawej strony ekranu w lewo plamka świetlna zostaje wygaszona. Przełącznik na wejściu układu(wyzwalania) umożliwia przełączenie źródła sygnału wyzwalającego na gniazdo wejście zewnętrzne wyzwalania, wtedy łatwo można uzyskać zmienną szybkość ruchu plamki w kierunku osi X także wzmacniacz odchylania poziomego może być sterowany przebiegiem zewnętrznym wtedy należy odłączać podstawę czasu w zespole oscyloskopu.
Zastosowanie oscyloskopu do pomiaru u, i, f, t
Oscyloskop umożliwia nie tylko na pomiar kształtów i wartości chwilowych przebiegów napięciowych i prądowych ale również przy sprzężeniu stałoprądowym także mierzyć wartości chwilowe łącznie ze składową stałą. Zasadniczą metodą pomiaru u z pomocą oscyloskopu to pomiar u przez odczytanie na ekranie wysokości obrazu w działkach(rys. 1). Na dokładność pomiaru napięcia metodą pokazaną na rys 1 mają wpływ:
nieliniowość odchylania toru w kierunku pionowym (w dobrych oscyloskopach, można pominąć)
niedokładność odczytu wysokości obrazu jest nie większa niż ± 0,5mm
nie równomierność charakterystyki częstotliwościowej
niedokładność podziału tłumika wejściowego i niedokładność metody wzorcowania toru Y
Pomiar prądu sprowadza się do pomiaru u na rezystorze o znanej wartości bądź pomiarze u na wyjściu sądy prądowej,Niedokładność pomiaru prądu zależy od dokładności rezystancji i rezystora i jego charakterystyki funkcji częstotliwości ponadto mają wpływ na niedokładność pomiaru prądu wszystkie te czynniki, które podał dla pomiaru u(rys. 2 i 3) czyli nieliniowość
odchylania toru w kierunku pionowym w dobrych oscyloskopach, można pominąć
niedokładność odczytu wysokości obrazu jest nie większa niż ± 0,5mm
nie równomierność charakterystyki częstotliwościowej
- niedokładność podziału tłumika wejściowego i niedokładność metody wzorcowania toru Y
Błędy pomiarowe
Wpływ na wszystkie bez wyjątku pomiary mają różnorodne niepewności, określenia intensywności rozmiaru tych niepewności i sposobów ich zmniejszenia do wymaganych granic ma zasadniczy wpływ na postępy technologiczne w tym poziom cywilizacyjny społeczeństw. Rachunek błędów tj. analizowanie tych niepewności jest niezwykle istotne w każdym procesie pomiaru. Wyniki pomiarowe nigdy nie są całkowicie dokładne. Błędy występujące w pomiarach to niemożliwe do uniknięcia niepewności związane nierozerwalnie z istotą pomiarów, nie oznaczają one pomyłek. W praktyce zwykle dąży się by były one możliwie jak najmniejsze, to z kolei wymaga znalezienia, poszukiwania właściwego efektywnego szacowania ich wielkości, ich poziomów. Występowania błędów pomiarowych niepewności to zjawisko nieuchronne. Prostą a jednocześnie jedną z najlepszych metod oceny wiarygodności pomiarów jest wielokrotne powtarzanie pomiaru i badanie, analiza otrzymanych wyników. Analizę takich pomiarów przeprowadza się metodami statystycznymi. Niepewności pomiarowe dzielą się na 2 rodzaje:
-niepewności przypadkowe, które mogą być analizowane metodami statystycznymi;
niepewności systematyczne, które nie analizuje się wręcz nie można analizować metodami statystycznymi.
Błędy systematyczne:
błędy stałe;
błędy zmienne.
Podstawą tego podziału jest zachowanie się ich przy powstawaniu pomiaru. Innym kryterium podziału błędów statystycznych jest podział wg przyczyn, które je wywołują. Dzielą się na:
błędy dodatkowe;
błędy wzorcowania;
błędy metody.
Źródłami błędów metody mogą być:
sposób pobierania informacji o wielkości mierzonej
właściwości narzędzia pomiarowego
właściwości sposobu opracowywania wyników pomiarów.
Błąd metody - można zmniejszać przez zastosowanie innej bardziej poprawnej metody bądź przez wprowadzenie do wyników pomiarów poprawki.
Przyczynami błędów wzorcowania to:
niedokładności miary wzorca
niedokładności aproksymacji pierwotnej charakterystyki wzorcowania
zmiana właściwości narzędzi pomiarowych od chwili ich wzorcowania do chwili użycia w eksperymencie
Zmniejszenie błędów wzorcowania jest możliwe przez eliminacje źródeł ich powstawania. Podstawowymi źródłami błędów dodatkowych są zmiany właściwości narzędzi pomiarowych będące wynikiem odmienności warunków pomiaru w stosunku do warunków odmierzania.
Do najczęściej używanych sposobów eliminacji błędów dodatkowych należą:
odpowiedni dobór parametrów konstrukcji narzędzi pomiarowych
kompensacja błędów za pomocą dodatkowych elementów korekcyjnych do wyników pomiarów poprawek.
Wprowadzanie poprawek to procesy czasochłonne jest to jednak bardzo skuteczna forma eliminacji błędów. Aby obliczyć poprawkę niezbędna jest znajomość nie tylko właściwości narzędzia pomiarowego lecz także bieżący pomiar wielkości wpływających, stąd we współczesne narzędziach i systemach pomiarowych poprawki obliczane są przez wbudowane przyrządy pomiarowe - mikroprocesory. Całkowita eliminacja błędów systematycznych jest niemożliwa, można zmniejszać oczywiście tylko ich poziom. Ta pozostałość błędu systematycznego nazywamy niekiedy błędem resztkowym stanowi składową błędów przypadkowych i wpływa na ich rozkład. W wyniku pomiaru zmienna losowa przyjmuje tylko jedną wartość spośród zbioru wszystkich możliwych wartości. Zmienne losowe błędów mogą być skokowe lub ciągłe. Zmienne skokowe przyjmują w przestrzeni zdarzeń elementarnych tylko pewne wartości dyskretne występują zatem wtedy, gdy przestrzeń zdarzeń elementarnych ma skończoną liczbę zdarzeń rozłącznych, niezależnych. Natomiast zmienne losowe ciągłe mogą przybierać wszystkie wartości z pewnego przedziału, który w poszczególnych przypadkach może być skończony.
Mierniki elektromagnetyczne
Zasada działania i budowa ustroju
Mierniki magnetoelektryczne są to mierniki, w których odchylenie organu ruchomego jest wywołane działaniem pola magnetycznego magnesu trwałego na cewkę, przez którą płynie prąd. Ruchomy może być magnes trwały albo cewka z prądem. W pierwszym przypadku ustrój albo miernik nazywany jest magnetoelektrycznym o ruchomym magnesie, w drugim natomiast - magnetoelektrycznym o ruchomej cewce. Bardziej rozpowszechnione są mierniki magnetoelektryczne o ruchomej cewce.
Bieguny magnesu ustroju (rys. 6.2a)mają nabiegunniki wykonane ze stali magnetycznie miękkiej w kształcie walca. W środku znajduje się nieruchomy rdzeń cylindryczny wykonany z tego samego materiału. W wytworzonej przez nabiegunniki i rdzeń równomiernej szczelinie o kształcie pierścienia jest umieszczona ruchoma cewka, zwykle o kształcie prostokątnym. Tworzą ją najczęściej zwoje miedzianego izolowanego drutu, nawinięte na aluminiowej ramce. Cewka może być również wykonana bez ramki i nasycona lakierem. Na jej częściach czołowych są umocowane obsady z wyprasowanymi czopami lub uchwyty do mocowania taśm zawieszeniowych.
Cewka może obracać się wokół swej osi. Jeżeli przez uzwojenie płynie prąd stały, doprowadzony przez spiralne sprężyny lub taśmy zawieszeniowe, to na każdy jej bok znajdujący się w szczelinie działa siła F, która zależy od indukcji magnetycznej B, prądu I, głębokości l zanurzenia boku w polu magnetycznym oraz liczby N jej zwojów. Kąt odchylenia organu ruchomego jest więc proporcjonalny do prądu w cewce.
Amperomierze
Najprostszym miernikiem magnetoelektrycznym jest amperomierz bezpośredni. W amperomierzu tym cały mierzony prąd płynie przez ustrój pomiarowy. Zrozumiałe jest, że ze względu na sprężyny lub taśmy zawieszenia i obciążalność cewki prąd doprowadzony nie może być duży. Stąd też największy prąd znamionowy amperomierzy bezpośrednich nie przekracza na ogół 25mA. Najmniejszy prąd znamionowy tych amperomierzy wynosi kilka mikroamperów.
Najczęściej występującym błędem dodatkowym w amperomierzach bezpośrednich jest błąd temperaturowy. Przy zmianie temperatury otoczenia, np. przy wzroście o 10oC:
zwiększa się rezystancja uzwojenia cewki miedzianej o ok. 4%;
zwiększa się rezystancja sprężyn wykonanych z fosforobrązu o 2%;
zmniejsza się moment zwracający sprężyn o ok. 0,4%, a więc przy niezmienionej wartości prądu zwiększa się odchylenie organu ruchomego miernika o ok. 0,4%(błąd dodatni);
zmniejsza się indukcja magnetyczna magnesu trwałego o 0,1% do 0,3%, a więc o tyle procent zmniejsza się odchylenie organu ruchomego(błąd ujemny).
Zmiana rezystancji ustroju nie powoduje powstania błędu dodatkowego, gdyż prąd w mierniku jest wymuszony. Tak więc amperomierze bezpośrednie mogą być budowane we wszystkich klasach dokładności.
W celu zwiększenia zakresu pomiarowego amperomierza ponad 25mA bocznikuje się jego cewkę za pomocą opornika zwanego bocznikiem. Przez cewkę płynie wówczas tylko część mierzonego prądu, a reszta - przez bocznik.
Woltomierze
Magnetoelektryczny ustrój pomiarowy z szeregowo włączonym opornikiem Rd wykonanym z manganianu, konstantanu lub innego materiału o małym współczynniku temperaturowym rezystancji, umożliwia pomiar napięcia. Napięcie mierzone U wymusza w woltomierzu prąd.
Poszerzenia zakresu pomiarowego woltomierza dokonuje się przez zwiększenie rezystancji układu. Włączenie szeregowo dodatkowego opornika o rezystancji Rd1=(p-1)(Rd+r) zwiększa rezystancję miernika p-razy.
W obwodach elektronicznych pomiary napięcia przeprowadza się za pomocą woltomierzy o bardzo małym prądzie znamionowym, a więc o dużej rezystancji wewnętrznej.
Omomierze
Omomierze są to mierniki przeznaczone do pomiaru rezystancji. Rozróżnia się dwa rozwiązania układowe omomierzy:
omomierze o układzie szeregowym(szeregowe)
omomierze o układzie równoległym(równoległe).
Megaomomierze
Megaomomierze są to mierniki przeznaczone do pomiaru rezystancji izolacji czyli do pomiaru bardzo dużych wartości rezystancji. Stosuje się w nich odmianę ustroju magnetoelektrycznego zwaną magnetoelektrycznym ustrojem ilorazowym lub logometrem magnetoelektrycznym.
Oscyloskop
Podstawową składową oscyloskopu jest jego lampa oscyloskopowa na ekranie której powstaje obraz świetlny badanych wielkości fizycznych Natomiast w oscyloskopie cyfrowym badany jest przebieg przechowywany w pamięci cyfrowej a następnie w dowolnym czasie może być zobrazowany na ekranie lampy oscyloskopowej bądź na ekranie monitora bądź wyrysowany na papierze za pomocą plotera bądź drukarki. Aktualnie wytwarzane są w świecie oscyloskopy analogowe, z lampą pamiętającą, próbkujące(sameplink) i oscylatory cyfrowe. W analogowym oscyloskopie obraz przebiegu jest rysowany na ekranie lampy oscyloskopowej, w czasie rzeczywistym co oznacza, że plamka świetlna porusza się na ekranie w takt zmian przebiegu i upływu czasu. Podstawowe parametry oscyloskopu analogowego to: pasmo oscyloskopu, czas narastania, współczynnik odchylania, współczynnik czasu i liczba torów wejściowych. Parametry pola pomiarowego lampy oscyloskopowej jak i parametry konstrukcyjne.
Pasmo oscyloskopu zaczyna się zwykle od częstotliwości bliskiej zeru a za górną częstotliwość przyjmuje się wartość przy, której częstotliwość wzmocnienie maleje o 3dB. Wzmocnienie maleje w stosunku do częstotliwości małej.
Charakterystykę częstotliwości oscyloskopu kształtuje się tak by obraz impulsu prostokątnego był mało zniekształcony bez przerostów i innych zniekształceń. Można wykazać, że obowiązuje zależność tr=350/fg gdzie tr - czas narastania oscyloskopu w nanosekundach, fg - oznacza górną częstotliwość przenoszenia pasma oscyloskopu przy której wzmocnienie maleje o 3dB [MHz], np. ze wzoru wynika ze fg=350MHz tr odpowiada 10 nanosekund. Można uzyskać dwiema drogami 2 tory w oscyloskopie za pomocą przełącznika elektronicznego, który przetwarza na lampę oscyloskopową raz przebieg z toru 1 a raz z toru 2, bądź za pomocą drugiej strumieniowej lampy oscyloskopowej. Oscyloskop z lampą dwustrumieniową pozwala na fotograficzną rejestrację dwu różnych przebiegów powtarzalnych wystarcza oscyloskop z lampą jednostrumieniową i z przełącznikiem elektronicznym. Wartość pełnego napięcia przyśpieszającego jakie występuje miedzy ekranem a katodą określa jaskrawość obrazu. Im większe jest napięcie tym krótszy przebieg jednorazowy lub krótkotrwały przebieg o małej częstotliwości powtarzania może być zaobserwowany.
Oscyloskop z lampą pamiętającą
To oscyloskop analogowy wyposażony w specjalną lampę pamiętającą, która umożliwia obserwację sygnału przebiegu jak w oscyloskopie ze zwykłą lampą, tj. w czasie rzeczywistym lub zapamiętanie wewnątrz lampy obrazu przebiegu jednorazowego bądź powtarzalnego i wyświetlanie go przez pewien czas na ekranie.
Oscyloskop próbkujący
Przeznaczony jest do pomiarów bardzo szybkich przebiegów powtarzalnych. Jego działania polega na sukcesywnym pobieraniu próbek sygnału kolejno z innego fragmentu przebiegu za każdym następnym okresem a następnie złożenia całego obrazu z kropek próbek i wyświetlenie go na ekranie. Te oscyloskopy pozwalają na pomiar przebiegów powtarzalnych w paśmie od 0Hz do kilkudziesięciu GHz.
Oscyloskopy cyfrowe
Działanie oscyloskopu cyfrowego polega na pobieraniu próbek badanego sygnału równych wartości chwilowych sygnału w czasie próbkowania oraz na zmianie wartości próbki na słowo cyfrowe zapamiętaniu go następnie w pamięci cyfrowej. Raz zapamiętany w pamięci cyfrowej może być wyświetlony na ekranie. Można dokonywać na obserwowanym i zapamiętanym cyfrowo różnorodne dodatkowe operacje jak np. oglądanie fragmentów przebiegów, wprowadzanie dodatkowych operacji np. synfazowo dodawanie odcinków obserwowanego przebiegu składowych losowych i okresowych. Ważną rolę oscyloskopu cyfrowego to cyfrowa rejestracja przebiegów.
Działanie i budowa lampy oscyloskopowej
Składa się z 3 podstawowych części:
wyrzutni elektronowej, która emituje i skupia elektrony w cienką wiązkę
systemu odchylającego strumień elektronów
ekranu wysyłającego światło pod wpływem bombardowania elektronami.
Całość jest zamknięta zwykle w balonie szklanym z którego usunięto powietrze.
Strumień elektronów odchylany jest polem elektrycznym za pomocą płytek odchylających lub polem magnetycznych za pomocą cewek odchylających. Cewki odchylające wymagają do wytworzenia odpowiedniego silnego pola magnetycznego przepływu dość dużego prądu a indukcyjność i pojemność cewek ograniczają zakres częstotliwości ich stosowania. Z tych powodów z reguły stosowane są lampy z odchylaniem elektrycznym
Mierzony sygnał przez tłumik oscyloskopu wyjściowy o skokowej regulowanej wartości tłumienia steruje wzmacniacz odchylenia pionowego na wyjściu którego uzyskuje się wzmocniony symetryczny przebieg sterujący płytki y lampy oscyloskopowej. Pokrętło płynnej regulacji współczynnika odchylania zmienia wzmocnienie umożliwiając uzyskanie obrazu przebiegu o dogodnej do pomiaru wysokości. Natomiast pokrętło przesuwa Y ustala położenie obrazu na ekranie w kierunku pionowym. Z toru wzmacniacza Y zostaje pobrana z części mierzonego sygnału, która synchronizuje podstawę czasu w oscyloskopie zmierzonym przebiegiem. Ten sygnał synchronizujący steruje układy wyzwalania i generacji podstawy czasu. Układ podstawy czasu generuje piłokształtne napięcie liniowo-narastające. To napięcie po wzmocnieniu we wzmacniaczu odchylania pionowego X steruje symetrycznie płytki odchylania X liniowo-zmieniające się napięcie na płytkach X odchyla plamkę na ekranie w kierunku poziomym dając liniową podstawę czasu. Układ wyzwalania wytwarza prostokątny impuls rozjaśniający, który steruje wzmacniacz jaskrawości ten impuls jest zgodny w czasie z napięciem piłokształtnym podstawy czasu w efekcie rozjaśnia się plamka na ekranie tylko na czas rysowania obrazu przy ruchu plamki w prawo. Przy ruchu powrotnym plamki z prawej strony ekranu w lewo plamka świetlna zostaje wygaszona. Przełącznik na wejściu układu(wyzwalania) umożliwia przełączenie źródła sygnału wyzwalającego na gniazdo wejście zewnętrzne wyzwalania, wtedy łatwo można uzyskać zmienną szybkość ruchu plamki w kierunku osi X także wzmacniacz odchylania poziomego może być sterowany przebiegiem zewnętrznym wtedy należy odłączać podstawę czasu w zespole oscyloskopu.
Zastosowanie oscyloskopu do pomiaru u, i, f, t
Oscyloskop umożliwia nie tylko na pomiar kształtów i wartości chwilowych przebiegów napięciowych i prądowych ale również przy sprzężeniu stałoprądowym także mierzyć wartości chwilowe łącznie ze składową stałą. Zasadniczą metodą pomiaru u z pomocą oscyloskopu to pomiar u przez odczytanie na ekranie wysokości obrazu w działkach(rys. 1). Na dokładność pomiaru napięcia metodą pokazaną na rys 1 mają wpływ:
nieliniowość odchylania toru w kierunku pionowym (w dobrych oscyloskopach, można pominąć)
niedokładność odczytu wysokości obrazu jest nie większa niż ± 0,5mm
nie równomierność charakterystyki częstotliwościowej
niedokładność podziału tłumika wejściowego i niedokładność metody wzorcowania toru Y
Pomiar prądu sprowadza się do pomiaru u na rezystorze o znanej wartości bądź pomiarze u na wyjściu sądy prądowej,Niedokładność pomiaru prądu zależy od dokładności rezystancji i rezystora i jego charakterystyki funkcji częstotliwości ponadto mają wpływ na niedokładność pomiaru prądu wszystkie te czynniki, które podał dla pomiaru u(rys. 2 i 3) czyli nieliniowość
odchylania toru w kierunku pionowym w dobrych oscyloskopach, można pominąć
niedokładność odczytu wysokości obrazu jest nie większa niż ± 0,5mm
nie równomierność charakterystyki częstotliwościowej
- niedokładność podziału tłumika wejściowego i niedokładność metody wzorcowania toru Y