Zaliczenie z laboratorium Metrologii

1. Podać przyczyny powstawania błędów pomiaru pośredniego. Co to jest zakres pomiarowy,

stała przyrządu, błąd bezwzględny, błąd względny, oraz klasa dokładności?

Stała przyrządu C – określa stosunek wartości zakresu pomiarowego w

z

do liczby wszystkich

działek I

c

podziałki miernika, do których odnosi się klasa danego przyrządu.

Błąd bezwzględny –Różnica pomiędzy wartością zmierzoną w

m

danej wielkości fizycznej W

a jej wartością rzeczywistą w

rz

. Oznaczony przez ΔW, którego wartość wyraża się:

ΔW= w

m

– w

rz

Błąd względny w – pomiaru definiowany jest jako błąd bezwzględny ΔW odniesiony do

wartości rzeczywistej w

rz

mierzonej wielkości fizycznej W i przeważnie wyrażany jest w

procentach:

δ

w

=

Klasa dokładności – największa bezwzględna wartość błędu bezwzględnego ΔW

max

odniesiona do końcowej wartości zakresu pomiarowego w

z

, określa klasę dokładności miernika.

Klasy dokładności mierników: - 0, 05; 0, 1 mierniki wzorcowe;

- 0, 2; 0, 5 laboratoryjne;

- 1, 5; 2, 5 tablicowe.

Klasa określa maksymalny dopuszczalny błąd przyrządu δ

max

wyrażony w procentach.

2. Jaką część zakresu pomiarowego należy wykorzystywać przy pomiarze? Uzasadnić. Jak zależy

błąd względny i bezwzględny od zakresu pomiarowego?
Błąd bezwzględny ma stałą wartość w całym zakresie pomiarowym, natomiast błąd względny ma
najmniejszą wartość na końcu zakresu pomiarowego, i dlatego należy odczytywać wynik pomiaru
powyżej 2/3 zakresu pomiarowego.

3. Omówić zasadę doboru galwanometru do układu mostkowego. Zdefiniować błąd podstawowy

w mostku Thomsona i omówić jego składowe.
Dobór galwanometru – przy doborze należy pamiętać o tym, aby wartość rezystancji zewnętrznej
krytycznej R

zk

, czyli rezystancji, która powoduje, że po przyłączeniu jej do zacisków galwanometru

organ ruchomy zbliża się do ustalonego położenia ruchem krytycznym (współczynnik tłumienia
b=1) była zbliżona do wartości rezystancji „widzialnej” z zacisków galwanometru, czyli aby
R

zk

=R

M

. Wówczas organ ruchomy galwanometru zbliża się do ustalonego położenia ruchem

krytycznym.

Błąd podstawowy – to (błąd systematyczny) składający się z błędów bezwzględnych i względnych.

CHYBA?????

4. Zdefiniować błąd nieczułości występujący w pomiarach motkiem Thomsona i omówić

doświadczalny sposób wyznaczania błędu nieczułości.
Błąd nieczułości δ

nRx

– jest to minimalna zmiana rezystancji jednego z elementów mostka,

powodująca zauważalne rozkompensowanie wskaźnika równowagi.
Wyznaczanie błędu nieczułości metodą doświadczalną – przyjmujemy, że stan równowagi mostka
został osiągnięty dla danej wartości rezystancji R

3

. Jeżeli minimalnie zostanie zmniejszona wartość

rezystancji R

3

do wartości R

3

I

tak, aby zanotować minimalne zauważalne odchylenie plamki

galwanometru od położenia równowagi równe α

’

, a następnie nastąpi powrót do stanu równowagi

mostka, po czym minimalnie zostanie zwiększona wartość rezystancji R

3

do wartości R

3

II

powodując tym samym odchylenie plamki galwanometru o α

’’

działek w przeciwną stronę w

stosunku do poprzedniego odchylenia plamki galwanometru.

5. Omówić budowę, właściwości metrologiczne ogniwa termoelektrycznego. Omówić wpływ

przewodów łączących na dokładność pomiarów. Omówić budowę układu służącego do
kompensacji temperatury wolnych końców termometru.

Ogniwa termoelektryczne:

W obwodzie złożonym z dwóch różnych metali różnica temperatur ΔT= T

2

– T

1

występująca między

złączami powoduje przepływ prądu elektrycznego. W obwodzie powstaje różnica potencjałów E(T) zwana
siłą elektromotoryczną, która zależy od różnicy temperatur między złączami:

E (T) = a*ΔT + b* ΔT

2

+ c*ΔT

3

+ …

gdzie a, b, c oznaczają współczynniki proporcjonalności, zależne od użytego materiału.

W pierwszym przybliżeniu można przyjąć liniową zależność siły termoelektrycznej od różnicy temperatur.

E(T) = a * ΔT

Aby można było w praktyce wykorzystać obwód dwóch metali A i B do pomiaru temperatury należy
włączyć do obwodu miernik mierzący wartość siły termoelektrycznej lub proporcjonalne do niej napięcie.
Włączenie miernika jest równoznaczne z wprowadzeniem trzeciego metalu C, z którego są wykonane
przewody łączące miernik z obwodem oraz obwód wewnętrzny miernika. Wprowadzenie do obwodu metali
A i B trzeciego metalu C nie wpływa na wartość wypadkowej siły termoelektrycznej pod warunkiem, że oba
końce przewodu z metalu C znajdują się w takiej samej temperaturze. Miejsce włączenia trzeciego metalu
jest dowolne, a równość temperatur w obu miejscach łączenia metali ma zasadnicze znaczenie dla uzyskania
prawidłowej wartości wypadkowej siły termoelektrycznej obwodu.

6. Podać charakterystyczne cechy termoelektrycznych przetworników parametrycznych i

generacyjnych. Wyjaśnić różnice występujące między tymi czujnikami.

Pomiary temperatury przeprowadza się za pomocą metod pośrednich, w których wykorzystywane są

elementy o właściwościach zależnych od zmian temperatury, przy czym znana jest zależność funkcyjna
opisująca zmiany badanego parametru w funkcji temperatury. Elementy takie nazywa się czujnikami bądź
przetwornikami termoelektrycznymi.

Czujniki termoelektryczne można podzielić na dwa zasadnicze rodzaje:

a) Czujniki termoelektryczne parametryczne, w których parametry czujników, takie jak rezystywność,

przewodność czy przenikalność magnetyczna zależą od temperatury.

b) Czujniki termoelektryczne generacyjne, tzw. termoelementy stanowiące ogniwa termoelektryczne, w

których siła elektromotoryczna zależy od różnicy temperatur.

7. Opisać budowę czujników piezoelektrycznych, oraz omówić błędy występujące w pomiarach

parametrów drgań mechanicznych.

Czujniki piezoelektryczne – to czujniki generacyjne stosowane do pomiaru parametrów drgań o

częstotliwościach do około 10 [kHz].W czujnikach tego typu wykorzystuje się zjawisko piezoelektryczne, które wiąże
się z występowaniem polaryzacji niektórych ciał krystalicznych pod wpływem sił mechanicznych spowodowanych
drganiami.

Podstawowym elementem czujnika piezoelektrycznego jest płytka z kryształu kwarcu lub płytka ceramiczna z

tytanu baru. Ściskanie lub rozciąganie płytki powoduje, że na ściankach, na które działa siła powstają ładunki
elektryczne o przeciwnych znakach. Na ścianki te naniesione są metaliczne warstwy będące jednocześnie elektrodami
czujnika. Różnica potencjałów między elektrodami jest proporcjonalna do wartości siły działającej na płytkę. Zatem
sygnał wyjściowy z czujnika piezoelektrycznego jest proporcjonalny do przyspieszenia drgań powodujących działanie
na czujnik siły.

Źródłem błędów przy pomiarach drgań mechanicznych mogą być:

- brak regularnego przebiegu funkcji opisującej drgania,

- zakłócenia wprowadzone przez poszczególne ogniwa układu,

- błędy wprowadzone przez czujniki pomiarowe spowodowane min. zmianą warunków pracy czujników czy też
wynikające z nieliniowości charakterystyki przetwarzania czujnika.

Błędy pomiaru wprowadzone przez czujniki pomiarowe są spowodowane również przez:

- niedokładność wzorców, za pomocą, których dany czujnik jest wzorcowany,

- niedokładność ustalania charakterystyki wzorcowania czujnika, starzeniem się czujnika, histerezą lub też wymianą
na inny egzemplarz.

Ponieważ czujnik współpracuje z układem elektrycznym, więc błąd pomiaru będzie również zależał od warunków tej
współpracy oraz od właściwości samego układu elektrycznego.

8. Omówić budowę blokową przyrządu do pomiarów parametrów drgań, oraz omówić rolę

wzmacniacza całkującego w tym przyrządzie.

Schemat budowy układu do pomiaru parametrów drgań z czujnikiem piezoelektrycznym powinien

składać się z:

Ideowy schemat układu do pomiaru parametrów drgań z czujnikiem piezoelektrycznym: W – wzmacniacz;
UP – urządzenie pomiarowe; PR – przyrząd rejestrujący; m – masa obciążenia;

Przy pomiarach przyspieszeń sygnał z czujnika jest wzmacniany we wzmacniaczu (W) i następnie

podawany na wejście urządzenia pomiarowego (UP) i dalej na wejście przyrządu rejestrującego (PR). Dla
wyznaczenia wartości prędkości czy przyspieszenia stosuje się układy całkujące.

Funkcję urządzenia pomiarowego w ćwiczeniu spełnia przyrząd typu SM 211 umożliwiający pomiar

przyspieszenia, prędkości drgań oraz amplitudy ruchu drgającego w zakresie od 2 Hz do 10 kHz. Przyrząd
ten zbudowany jest z następujących elementów:

- wzmacniacza całkującego (panel SM 10);

- wzmacniacza SM 40 (panel wskaźnikowy);

- zasilacza (panel SM 61);

Sygnał napięciowy wytwarzany w czujniku piezoelektrycznym, proporcjonalny do przyśpieszenia

ruchu drgającego, podawany jest na wysokoomowe wejście wzmacniacza całkującego, a następnie
wzmacniany. Przyrząd SM 211 umożliwia pomiar wartości skutecznej wielkości mierzonej, jak również
dowolnej dodatnie i ujemnej wartości maksymalnej wielkości mierzonej.

Sygnał napięciowy podawany na wejście wzmacniacza całkującego SM10 jest wzmacniany przy

pomiarze przyspieszenia lub całkowany jednokrotnie lub dwukrotnie.

W przyrządzie wyróżnia się dwa rodzaje dynamiki pracy: „wolno”, „szybko”, które można ustawić

na panelu wskaźnikowym SM40. We wzmacniaczu SM40 sygnał podawany jest na przetwornik impedancji,
a dalej poprzez przełącznik wyboru filtrów i przełącznik czułości na wzmacniacz. Następnie sygnał
przechodzi na układ odwracania fazy oraz przełącznik rodzaju wskazań. Przy pomiarze wartości szczytowej
sygnał pomiarowy przechodzi przez wzmacniacz na układ detektora szczytowego, z którego jest podawany
przez układ wysokoomowy na przyrząd wskazujący – wskaźnik.

Zadaniem zasilacza SM61 jest zasilanie przyrządu. Przyrząd może być zasilany zarówno z sieci, jak i

z akumulatora. Do zacisków znajdujących się na tylnej płycie obudowy może zostać podłączone zewnętrzne
źródło napięcia stałego równe 12 V.