ĆW. 7. MIERNIKI ANALOGOWE I CYFROWE, SKALA LOGARYTMICZNA I LINIOWA CEL Poznanie rodzajów i zasad działania mierników napięcia analogowych i cyfrowych, Skala logarytmiczna - zastosowanie. ZESTAW OPRZYRZĄDOWANIA DO ĆWICZENIA multimetry, zasilacz stabilizowany, miernik cyfrowy, miernik analogowy, SPOSÓB POSTEPOWANIA Pomiar napięcia stałego Zmierzyć napięcia wyjściowe zasilacza stabilizowanego. Wyniki pomiarów zestawić w tablicy1. Wyniki powtórzyć dla miernika cyfrowego i analogowego. Rys. 3.1. Układ do pomiaru napięcia stałego WSTĘP TEORETYCZNY 4.1. Mierniki analogowe Miernikami analogowymi (odchyłowymi) nazywa się mierniki, których wskazania są funkcją ciągłą wartości wielkości mierzonej. Również mierniki, których zmiany wskazań następują małymi skokami, a nie są to mierniki o wskazaniu cyfrowym, uważa się za analogowe. Podzespół miernika, w którym pod wpływem wielkości mierzonej następuje odchylenie wskazówki (materialnej lub świetlnej), zależne od wartości mierzonej, nazywa się ustrojem pomiarowym. Część ruchoma ustroju pomiarowego nosi nazwę organu ruchomego. W zależności od zasady fizycznej działania rozróżnia się ustroje: magnetoelektryczne, elektromagnetyczne, elektrodynamiczne, ferrodynamiczne i elektrostatyczne. Różnią się one między sobą nie tylko budową, lecz także właściwościami metrologicznymi. Mierniki analogowe, obok podziału w zależności od rodzaju ustroju, można podzielić na mierniki o działaniu bezpośrednim i mierniki o działaniu pośrednim. Mierniki o działaniu bezpośrednim są to mierniki, w których energia potrzebna do odchylenia organu ruchomego ustroju pomiarowego jest czerpana bezpośrednio z obwodu kontrolowanego. Są to zwykle przyrządy o strukturze otwartej i często nazywane miernikami elektromechanicznymi. Ich parametry techniczne są podane w normie PN-92/E-06501/01 ÷ 09. Mierniki analogowe o działaniu pośrednim są to mierniki, w których wielkość mierzona steruje wielkością pomocniczą dostarczającą energię niezbędną do przesunięcia organu ruchomego. Są to przyrządy o strukturze zamkniętej i noszą nazwę mierników elektronicznych. Ich parametry techniczne podano w normie PN-86/T-06500/01 do PN-86/T-06500/10. 4.1.1. Odczyt analogowy Urządzenie odczytowe w miernikach analogowych składa się z podzielni (częściej nazywanej skalą) z naniesioną nań podziałką oraz wskazówki. Podziałka jest to uporządkowany zbiór znaków (najczęściej kresek) przy czym, dla ułatwienia odczytu, niektóre z nich są oznaczone cyframi. Podziałki są wykonywane zgodnie z normą PN-74/M-54303. Część podziałki objęta dwoma sąsiednimi wskazami nazywa się elementarną działką. Ze względu na dogodność odczytu, jednej działce podziałki powinna odpowiadać wartość X wielkości mierzonej równa: gdzie: c = 1 lub 2 lub 5; n — dowolna liczba całkowita dodatnia lub ujemna. Długość podziałki i liczba działek jest ściśle związana z klasą miernika. Podziałki mierników klasy 0,1 mają długość od 200 mm do 300 mm i 150 do 200 działek, klasy 0,2 — około 150 mm i 100 do 120 działek, a podziałki mierników pozostałych klas mają długość od 60 mm do 120 mm i od 40 do 120 działek. Rys. 4.1. Urządzenia odczytowe w miernikach analogowych: a) ze wskazówką materialną; b) ze wskazówką świetlną 1 — podzielnia, 2 — lustro, 3 wskazówka Wskazówki mierników mogą być materialne lub świetlne (rys. 4.1). Wskazówki materialne wykonuje się najczęściej z rurek lub blach duralowych. Kreski działkowe podziałki są drobne i dlatego jest wymagane cienkie zakończenie wskazówki. Najczęściej jest ona spłaszczona na końcu i ma kształt noża. Aby zakończenie wskazówki było lepiej widoczne, grzbiet jej pokrywa się czarną lub czerwoną farbą. Jeżeli kierunek patrzenia przy odczytywaniu wskazania nie jest prostopadły do podzielni, to obserwator widzi niewłaściwe miejsce podziałki. Powstaje przy tym błąd odczytu zwany błędem paralaksy. W celu uniknięcia tego błędu, pod szczeliną przebiegającą wzdłuż podziałki umieszcza się niekiedy lustro. Podczas odczytywania obserwator powinien uważać, aby wskazówka pokrywała się ze swoim odbiciem w lustrze. Błąd paralaksy nie występuje w miernikach ze wskazówką świetlną („plamką świetlną”). W takich miernikach wiązka promieni świetlnych z żarówki pada przez układ optyczny i przesłonę na niewielkie lustro umocowane na organie ruchomym. Na podzielni jest widoczna plamka świetlna podzielona czarną kreską, będącą odbiciem w lustrze cienkiej nici umieszczonej w przesłonie układu optycznego. Odchylanie się organu ruchomego wywołuje przesuwanie się plamki wzdłuż podziałki miernika. Obserwator dokładnie odczytuje wartość wskazaną tylko wtedy, kiedy koniec wskazówki materialnej lub kreska plamki świetlnej pokrywa się z kreską działkową. Jeżeli koniec wskazówki znajduje się między kreskami, odczytu dokonuje się szacunkowo interpolując wzrokowo odstęp między nimi. Najmniejszą część działki, którą można odczytać nazywa się zdolnością rozdzielczą podziałki. Zbyt mała zdolność rozdzielcza powoduje zwiększenie błędu odczytu, nadmiernie duża zaś zwiększa wymiary podziałki, a tym samym obniża ergonomiczne wskaźniki miernika (duże gabaryty). Zwykle przyjmuje się, że zdolność rozdzielcza podziałek jest nie większa niż 0,1 działki (co odpowiada długości ok. 0,1 mm). Mimo, że teoretycznie w miernikach analogowych istnieje nieskończenie wiele położeń wskazówki względem podziałki, to na skutek ograniczonej zdolności rozdzielczej można posługiwać się tylko ograniczoną liczbą dyskretnych wskazań. Jest to jedna z wad odczytu analogowego. 4.2. Mierniki cyfrowe Miernikiem elektronicznym nazywa się taki układ pomiarowy, w którym sygnał wejściowy zawierający informację o wielkości mierzonej zostaje zamieniony na sygnał elektryczny podlegający procesowi obróbki w układach elektronicznych, a następnie przetworzony na wartość liczbową wielkości mierzonej. Wyróżniamy dwa rodzaje elektronicznych przyrządów pomiarowych: analogowe i cyfrowe. W przyrządach analogowych elementem wskazującym jest najczęściej klasyczny miernik wskazówkowy (np. mikroamperomierz magnetoelektryczny) wyskalowany w jednostkach wielkości mierzonej. Mierniki cyfrowe pozwalają na bezpośredni odczyt wartości wielkości mierzonej z e wskaźnika cyfrowego lub z rejestratorów (np. drukarki), dzięki czemu unika się błędu popełnianego przy odczycie wskazań. Główną zaletą mierników cyfrowych jest ich duża dokładność. Ponadto mają one w porównaniu z przyrządami analogowymi następujące zalety: dużą szybkość pomiarów, automatyczny wybór polaryzacji, możliwość automatycznego wyboru zakresu, łatwość rejestracji czy „zapamiętywania” wyników pomiarów oraz możliwość współpracy z komputerowymi systemami pomiarowo-kontrolnymi i sterującymi. Cyfrowe metody pomiarowe mogą być zastosowane do pomiaru niemal wszystkich wielkości fizycznych zarówno elektrycznych, jak i nieelektrycznych, dyskretnych (ziarnistych) i ciągłych. Jeżeli mierzona wielkość fizyczna ma charakter ciągły, to w przyrządzie musi być dokonane tzw. przetwarzanie analogowo-cyfrowe, czyli zamiana wielkości ciągłej na dyskretną. W wyniku tej zamiany otrzymuje się proporcjonalna do wielkości mierzonej, liczbę impulsów elektrycznych zliczana przez licznik i prezentowana na wskaźniku cyfrowym lub drukarce. Ze względu na stosowaną metodę przetwarzania rozróżniamy przyrządy cyfrowe z miarą czasu lub miarą napięcia. W pierwszej z wymienionych grup jednostkę czasu wyznacza okres drgań generatora wzorcowego, w drugiej zaś jednostkę napięcia zmieniające się skokowo napięcie wyjściowe specjalnego typu generatora napięcia. Przedmiotem dalszych rozważań są mierniki cyfrowe wykorzystujące przetwarzanie A/C z miarą czasu. Podstawowym pomiarem w tej klasie przyrządów jest pomiar częstotliwości (lub czasu). Wynika stąd podział miernika cyfrowego na dwie zasadnicze części. W pierwszej - mierzona wartość jest transformowana na częstotliwość lub czas, w drugiej - czas lub częstotliwość są mierzone metodą zliczania impulsów. 4.3. Pojęcie poziomu względnego i bezwzględnego Pojęcie poziomu odzwierciedla stosunki pomiędzy wielkościami elektrycznymi - mocami, napięciami lub prądami panujące wzdłuż układu teletransmisyjnego (toru, urządzenia). Odpowiednio do porównywania danych wielkości rozróżniany jest poziom mocy, poziom napięciowy lub poziom prądowy. Jeżeli, wartość elektryczna otrzymana w punkcie pomiarowym jest porównywana z wartością w punkcie wejściowym układu (będącym punktem odniesienia), to wówczas mówimy o poziomie wzg1ędnym, natomiast jeśli wartość ta jest porównywana ze znormalizowaną wartością odniesienia, wówczas mówimyo poziomie bezwzględnym. Poziom względny mocy (4.1) Poziom względny napięciowy (4.2) gdzie: Px i Ux oznaczają odpowiednio wartość mocy i napięcia w punkcie pomiarowym, PA i UA - wartość mocy i napięcia na wejściu układu. Poziom względny na wejściu układu będzie zawsze miał wartość zero (4.3) Dla poziomu względnego używane są często skróty jednostek Npr i dBr. Jeżeli P1 i U1 są to odpowiednio znormalizowane wartości odniesieni mocy i napięcia, wówczas poziom bezwzględny mocy: poziom bezwzględny napięciowy (4.4) Zostało przyjęte, że wartości znormalizowane P1 i U1 są to wartości na wyjściu tzw. generatora normalnego, mającego impedancję wewnętrzną Z1.= 600Ω, przy stałym napięciu jałowym U0 = 1,55 V, który przy obciążeniu impedancją Z2 = Z1 oddaje na tej impedancji moc P1 = 1mW. Napięcie na zaciskach impedancji obciążenia generatora wynosi (4.5) natomiast znormalizowana wartość prądu płynącego przez obciążenie wynosi I1 = 1,29 mA. Wartości 0,775 V, 1,29 mA, 1 mW są określane jako poziom zerowy napięcia, prądu i mocy. Odpowiednie wzory dla poziomu bezwzględnego można napisać w postaci (4.6) Dla poziomu bezwzględnego używane są często skróty jednostek dBm. Jeżeli poziom napięciowy nu, jest mierzony w punkcie pomiarowym układu (np. toru) za pomocą miernika o dużej impedancji wejściowej, przy czym impedancja falowa układu w punkcie pomiaru jest określona przez Z2, wówczas można obliczyć poziom mocy na podstawie następujących wzorów (4.7) lub (4.8) Poziom bezwzględny mocy różni się więc od bezwzględnego poziomu napięciowego o wartość (4.9) lub odpowiednio (4.10) będąc określony przez odchylenie wartości Z2 w stosunku do 600 Ω. Dla porównania poziomu napięciowego z poziomem mocy przy dowolnych wartościach impedancji Z2 można wykorzystać wykres przedstawiony na rys. 4.2. Jak wynika z podanych wzorów, w przypadku zamknięcia czwórnika obustronnie rezystancjami 600 Ω wartość poziomu mocy jest równa wartości poziomu napięciowego. Jeśli na wejściu układu jest włączony generator, to bezwzględny poziom napięciowy jest nazywany poziomem pomiarowym. Rys. 4.2. Zależność poziomu mocy n od poziomu napięciowego n. Jeśli impedancja wejściowa układu wynosi 600 Ω, wówczas bezwzględny poziom napięciowy jest równy względnemu poziomowi napięciowemu i równy poziomu pomiarowemu. a) pomiar rezystancji wejściowej Aby określić rezystancję wejściową należy zmierzyć na wejściu wzmacniacza napięcie wejściowe i prąd wejściowy: RWE = UWE / IWE (4.11) Prąd wejściowy można określić poprzez podłączenie przed wejście wzmacniacza rezystancji Ro i pomiar spadku napięcia na niej: (4.12) b) pomiar rezystancji wyjściowej Aby wyznaczyć rezystancję wyjściową Rwy można wyjście wzmacniacza potraktować jako źródło napięcia o określonej rezystancji wewnętrznej. Mierząc napięcie wyjściowe nieobciążonego wzmacniacza określa się wielkość siły elektromotorycznej tego źródła e. Obciążając to źródło znaną rezystancją R1 doprowadza się do podziału siły e na spadki napięcia na rezystancji wewnętrznej i dołożonej. Mierząc spadek napięcia na rezystancji obciążenia (wyjściu wzmacniacza) z proporcji można wyliczyć rezystancję wewnętrzną źródła (rezystancję wyjściową wzmacniacza). (4.13) V. OPRACOWANIE WYNIKÓW Stworzyć wykresy w skali liniowej i logarytmicznej f(Uz) = Umierzone Wyznaczyć podstawę logarytmu, Dokonać zestawienia wyników, Zinterpretować uzyskane wyniki, wnioski. ZAGADNIENIA DO ZALICZENIA ĆWICZENIA Skala logarytmiczna, skala liniowa, Zasada działania miernika analogowego, cyfrowego - różnice dokładności pomiarowych. Napięcie zas. U [V] Miernik analogowy [V] Skala logarytmiczna [dB] 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1 1,5 1,8 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 15 20 Bateria LR6 Bateria ˝ AA Bateria LR932 Bateria LR932 Tablica Pomiarowa Podpis prowadzącego zajęcia: ................................................................................... data: VII. LITERATURA B. Miedziński „Elektrotechnika podstawy i instalacje elektrotechniczne” PWN Warszawa 2000 H. Rawa „Elektryczność i magnetyzm w technice” PWN Warszawa 2001 G. Łomnicka-Przybyłowska „Pomiary elektryczne. Obwody prądu zmiennego” PWN Warszawa 2000 S. Bolkowski „Teoria obwodów elektrycznych” WNT, Warszawa 2001 A Chwaleba M. Poniński, A Siedlecki „Metrologia elektryczna” WNT Warszawa 2000

6

---