background image

 

1

Sprawozdanie z laboratorium  

Metrologii i Technik Pomiarowych  

  

Własności statyczne przetworników pomiarowych

”  

  

WIMIR, AiR, rok II, gr.13, 2009/2010  

  

Nieduziak Miłosz, Niedzień Dawid, Nytko Krystian,   

Olchawski Tomasz, Olsza Szymon  

 
 
Cel ćwiczenia: 
Celem  tego  ćwiczenia  jest  przedstawienie  parametrów  opisujących  własności  statyczne 
przetworników  oraz  wyznaczenie  tych  parametrów  na  podstawie  badania  potencjometru 
obrotowego, wykorzystywanego jako dzielnik napięcia. 
 
Wstęp teoretyczny: 
Własności statyczne opisują przetworniki pomiarowe wtedy, gdy wielkości mierzone będące 
sygnałami  wejściowymi  i  wyjściowymi  mają  wartości  ustalone.  Do  własności  statycznych 
przetworników  zaliczamy:  funkcję  przetwarzania,  czułość,  zakres  przetwarzania,  zakres 
pomiarowy,  dokładność  przetwarzania  i  charakterystyki  przetwarzania.  Wyróżniamy  także 
błędy 

charakteryzujące 

statyczne 

przetworniki 

pomiarowe: 

błąd 

nieliniowości, 

niejednoznaczności oraz niestałości. 
 
Przebieg ćwiczenia: 
 
1.  Wyznaczenie czułości i stałej przetwornika 
 

U

max

 = 62 V 

α

max

 = 310 ° 

5

2

.

0

1

1

2

,

0

2

.

0

310

62

max

max

max

max

=

=

=

=

=

=

=

=

S

C

U

U

U

S

α

α

α

α

                         

 
2.  Wyznaczenie statycznej charakterystyki przetwarzania nie obciążonego 

przetwornika potencjometrycznego na drodze pomiarowej 

 
Napięcie  z  zasilacza  podawane  na  potencjometr  obrotowy  pozwalało  na  uzyskanie  różnych 
wysokości  napięć  (początkowo  zwiększając  a  następnie  zmniejszając  rezystancję 
proporcjonalnie do kąta wychylenia potencjometru w granicach wartości 0 - 310 [

0

]). 

 

background image

 

2

2.1. 

Układ do wyznaczania charakterystyki statycznej przetwornika 

potencjometrycznego nie obciążonego 
 

2.2. 

Uzyskane pomiary wraz z charakterystyką statyczną 

 

18

,

0

]

[

56

max

=

=

S

V

U

 

 

lp.

α [º]

U

rz

↑ [V]

U

rz

↓ [V]

U

rzśr 

[V]

U=S*α [V]

δ[%]

1

0

0,01

0,02

0,015

0

0,03

2

10

1,48

1,45

1,465

1,8

0,60

3

20

3,26

3,16

3,21

3,6

0,70

4

30

5,16

5,12

5,14

5,4

0,46

5

40

6,95

6,84

6,895

7,2

0,54

6

50

8,78

8,75

8,765

9

0,42

7

60

10,54

10,49

10,515

10,8

0,51

8

70

12,46

12,22

12,34

12,6

0,46

9

80

14,2

14,11

14,155

14,4

0,44

10

90

16,17

16,01

16,09

16,2

0,20

11

100

18,1

18

18,05

18

0,09

12

110

19,93

19,84

19,885

19,8

0,15

13

120

21,9

21,67

21,785

21,6

0,33

14

130

23,36

23,33

23,345

23,4

0,10

15

140

25,69

25,49

25,59

25,2

0,70

16

150

27,39

27,25

27,32

27

0,57

17

160

29,38

29,27

29,325

28,8

0,94

18

170

31,25

31,1

31,175

30,6

1,03

19

180

33,2

33,05

33,125

32,4

1,29

20

190

34,75

34,9

34,825

34,2

1,12

21

200

36,37

36,38

36,375

36

0,67

22

210

38,23

38,27

38,25

37,8

0,80

23

220

40,35

39,99

40,17

39,6

1,02

24

230

42,26

42,33

42,295

41,4

1,60

25

240

43,7

43,73

43,715

43,2

0,92

26

250

45,88

45,89

45,885

45

1,58

27

260

46,71

47,79

47,25

46,8

0,80

28

270

46,95

49,44

48,195

48,6

0,72

29

280

47,65

51,41

49,53

50,4

1,55

30

290

47,86

52,83

50,345

52,2

3,31

31

300

48,03

54,25

51,14

54

5,11

32

310

48,45

56,05

52,25

55,8

6,34

 

 

background image

 

3

Aproksymacja metodą regresji liniowej: 
 

0

1

a

a

U

rz

+

=

α

 

 

2

1

1

2

1

1

1

2

1

2

1

1

2

1

1

1

2

1

0









=

=

n

i

α

n

i

α

n

n

i

U

n

i

α

n

i

α

i

U

n

a

n

i

α

n

i

α

n

n

i

α

i

U

n

i

α

n

i

α

n

i

U

a

 

Obliczono następujące wartości współczynników a

1

 i a

0

29

,

0

177

,

0

0

1

=

=

a

a

 

 
Na podstawie pomiarów i obliczeń uzyskano następującą charakterystykę: 

Uzyskane charakterystyki statyczne

0

10

20

30

40

50

60

0

50

100

150

200

250

300

kąt [º]

U

 [

V

]

charakterystyka przetwornika idealnego

charakterystyka przetwornika rzeczywistego

charakterystyka aproksymująca

 

 

Można  zauważyć  że  charakterystyka  idealna  praktycznie  pokrywa  się  z  aproksymującą. 
Maksymalny  błąd  względny  wynosi  6,34%  dla  wartości  kąta  α=310º.  Pomiar  rzeczywisty 
dokonany dla kąta α>260 º znacząco różni się charakterystyki idealnej, spowodowane jest to 
zjawiskiem niejednoznaczności i niedokładnym ustawieniem przyrządu. Maksymalna wartość 
niejednoznaczności wyniosła 0,135. 
 

background image

 

4

3.  Wyznaczenie statycznej charakterystyki przetwarzania przetwornika obciążonego 

rezystancją 15 kΩ 

3.1. 

Układ do wyznaczania charakterystyki statycznej przetwornika 

potencjometrycznego obciążonego 

 

 
3.2. 

Uzyskane pomiary wraz z charakterystyką statyczną 

 

]

[

15

;

18

,

0

]

[

56

max

=

=

=

k

R

S

V

U

z

 

lp. 

α [º] 

U

rz

↑ [V] 

U

rz

↓ [V] 

U

rzśr 

[V] 

U=S*α 

[V] 

δ[%] 

0,03 

0,03 

0,03 

0,05 

10 

2,29 

1,64 

1,965 

1,8 

0,29 

20 

4,06 

3,24 

3,65 

3,6 

0,09 

30 

5,62 

5,12 

5,37 

5,4 

0,05 

40 

7,18 

6,61 

6,895 

7,2 

0,54 

50 

8,74 

8,22 

8,48 

0,93 

60 

10,32 

9,76 

10,04 

10,8 

1,36 

70 

11,81 

11,31 

11,56 

12,6 

1,86 

80 

13,5 

12,73 

13,115 

14,4 

2,29 

10 

90 

14,98 

14,29 

14,635 

16,2 

2,79 

11 

100 

16,58 

15,85 

16,215 

18 

3,19 

12 

110 

18,03 

17,39 

17,71 

19,8 

3,73 

13 

120 

19,57 

18,97 

19,27 

21,6 

4,16 

14 

130 

21,27 

20,19 

20,73 

23,4 

4,77 

15 

140 

22,55 

22,22 

22,385 

25,2 

5,03 

16 

150 

24,29 

23,58 

23,935 

27 

5,47 

17 

160 

25,6 

25,31 

25,455 

28,8 

5,97 

18 

170 

27,18 

26,92 

27,05 

30,6 

6,34 

19 

180 

28,88 

28,66 

28,77 

32,4 

6,48 

20 

190 

31,07 

30,53 

30,8 

34,2 

6,07 

21 

200 

32,88 

31,72 

32,3 

36 

6,61 

22 

210 

34,45 

33,66 

34,055 

37,8 

6,69 

23 

220 

36,25 

35,94 

36,095 

39,6 

6,26 

24 

230 

38,7 

37,92 

38,31 

41,4 

5,52 

25 

240 

40 

39,45 

39,725 

43,2 

6,21 

26 

250 

42,73 

42,08 

42,405 

45 

4,63 

27 

260 

45,05 

44,21 

44,63 

46,8 

3,88 

28 

270 

47,56 

46,36 

46,96 

48,6 

2,93 

29 

280 

48,98 

48,98 

48,98 

50,4 

2,54 

30 

290 

51,52 

51,53 

51,525 

52,2 

1,21 

31 

300 

54,09 

53,97 

54,03 

54 

0,05 

32 

310 

56,09 

56,1 

56,095 

55,8 

0,53 

background image

 

5

 
 
Aproksymacja metodą regresji liniowej: 
 

0

1

a

a

U

rz

+

=

α

 

 
Obliczono następujące wartości współczynników a

1

 i a

0

 

0

175

,

0

0

1

=

=

a

a

 

 
Na podstawie pomiarów i obliczeń uzyskano następującą charakterystykę: 

Uzyskane charakterystyki statyczne (obciązenie)

0

10

20

30

40

50

60

0

50

100

150

200

250

300

kąt [º]

U

 [

V

]

charakterystyka przetwornika idealnego

charakterystyka przetwornika rzeczywistego

charakterystyka aproksymująca

 

Można  zaobserwować  znaczącą  nieliniowość  dla  kąta  α  =(60;300)  [º],  maksymalna 
nieliniowość  wyniosła  0,087.  Maksymalny  błąd  względny  wynosi  6,69%  dla  wartości  kąta 
α=210º. Klasa dokładności (wartość błędu obliczona w stosunku do charakterystyki idealnej) 
wyniosła 10. 
 
3.3. 

Podzielenie zakresu przetwarzania przetwornika na zakresy pomiarowe, w 

których przetwarzanie kąta odbywa się w określonej klasie 
 

lp.

zakres [º]

δ[%]

1

<0-30>

0,29

2

<40-110>

3,73

3

<120-250>

6,69

4

<260-310>

3,88

 

 
3.4. 

Wyznaczenie kąta α

α

α

α i rezystancji tak by δδδδ

max 

<<<< 1 

Kąt α wyznaczamy na podstawie zależności: 
 

(

)

(

)

k

k

r

k

k

r

U

U

+

=

=

1

1

1

2

max

max

δ

  

background image

 

6

przyjmując warunek: 

1

)

1

(

<<

k

k

r

 

gdzie: 

Rz

R

r

max

=

 i 

max

max

max

l

l

R

R

k

=

=

=

α

α

 

mamy więc: 

1

1

<

δ

;      

k

=

max

α

α





=

0

max

310

α

[ ]

=

k

R

10

max

 

(

)

(

)

k

k

r

k

k

r

+

=

1

1

1

2

1

δ

 

po uwzględnieniu, że 

(

)

1

1

<<

k

k

r

otrzymujemy: 

(

)

k

k

r

=

1

2

max

δ

 

podstawiając za 

max

α

α

=

k

 otrzymujemy: 

 

)

1

(

max

2

max

2

max

α

α

α

α

δ

r

 

x

r

r

3

max

3

2

max

2

max

α

α

α

α

δ

=

 

Różniczkujemy ostatnie wyrażenie przyrównując je do 0: 

0

3

3

max

2

2

max

=





α

α

α

α

α

r

r

d

d

 

0

3

2

3

max

2

2

max

=

α

α

α

α

r

r

 

0

3

2

max

2

max

=





α

α

α

α

r

 

Rozwiązujemy powyższe równanie: 

0

max

=

α

α

r

 

0

3

2

max

=

α

α

 

3

2

max

α

α

=

 

po podstawieniu za α

max

=310

0

 otrzymujemy: 

[ ]

0

0

67

,

206

3

310

2

=

=

α

 

[ ]

0

0

67

,

206

3

310

2

=

=

α

 

Przy α = 206,67[°] błąd względny δ jest największy. 
Przy założeniu δ

max

<1 obliczamy rezystancję: 

(

)

k

k

r

>

1

2

max

δ

 

 −

>

310

67

,

206

1

310

67

,

206

01

,

0

2

r

 

background image

 

7

149

,

0

01

,

0

r

 

0675

,

0

149

,

0

01

,

0

=

<

r

 

r

R

R

R

R

r

z

z

max

max

=

=

 

czyli:   

 

 

 

]

[

0675

,

0

10000

max

=

>

r

R

R

z

 

                                                 R

z

>148 [kΩ] 

Dopuszczalna rezystancja przy której przetwarzanie będzie odbywało się w klasie 1 wynosi 
148 [kΩ] 
 
 
4.  Wyznaczenie charakterystyk 

δδδδ

1

=f(k) dla dwóch różnych wartości współczynników r, 

wynoszących odpowiednio r

1

 = 0,4 oraz r

2

 = 0,8; 

 

L.p 

 

α 

[°] 

δ

1

 dla r=0,4 

[%] 

δ

1

  dla r=0,8 

[%] 

10 

0,03

 

0,03

 

0,08

 

20 

0,06

 

0,15

 

0,09

 

30 

0,09

 

0,32

 

0,14

 

40 

0,13

 

0,55

 

0,23

 

50 

0,16

 

0,82

 

0,50

 

60 

0,19

 

1,14

 

0,93

 

70 

0,22

 

1,50

 

1,52

 

80 

0,25

 

1,88

 

2,29

 

90 

0,28

 

2,27

 

3,20

 

10 

100 

0,31

 

2,69

 

4,22

 

11 

110 

0,34

 

3,10

 

5,31

 

12 

120 

0,38

 

3,52

 

6,41

 

13 

130 

0,41

 

3,92

 

7,47

 

14 

140 

0,44

 

4,31

 

8,45

 

15 

150 

0,47

 

4,67

 

9,30

 

16 

160 

0,50

 

5,00

 

10,00

 

17 

170 

0,53

 

5,29

 

10,55

 

18 

180 

0,56

 

5,54

 

10,95

 

19 

190 

0,59

 

5,73

 

11,21

 

20 

200 

0,63

 

5,86

 

11,37

 

21 

210 

0,66

 

5,92

 

11,44

 

22 

220 

0,69

 

5,91

 

11,43

 

23 

230 

0,72

 

5,81

 

11,32

 

24 

240 

0,75

 

5,63

 

11,07

 

25 

250 

0,78

 

5,34

 

10,63

 

26 

260 

0,81

 

4,95

 

9,90

 

27 

270 

0,84

 

4,45

 

8,79

 

28 

280 

0,88

 

3,83

 

7,24

 

29 

290 

0,91

 

3,08

 

5,25

 

30 

300 

0,94

 

2,20

 

3,01

 

31 

310 

0,97

 

1,17

 

0,97

 

 

background image

 

8

δ1=f(k) 

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0

50

100

150

200

250

300

350

kąt [º]

δ

[%

]

r=0,4

r=0,8

 

Dla różnych wartości r uzyskano odmienne charakterystyki. Wzrost wartości dodatkowego 
oporu powoduje spadek błędu.