TECHNIKA POMIARÓW - SEMESTR III

Wielkości mierzalne:

Ciągłe - takie, które w danym przedziale mogą przyjmować nieskończenie wiele wartości

Dyskretne - przyjmują tylko określone wartości różniące się o skończone przyrosty zwane kwantami i też mogą występować tylko w określonym przedziale.

Aktywne (czynne) - to takie wartości, które możemy zmierzyć bez dostarczania energii z zewnątrz.

Pasywne (bierne) - takie, do których pomiaru jest potrzebne dostarczenie energii.

Metody pomiarowe:

- analogowe - polegają na pomiarach analogowych czyli takich gdzie wyników pomiarowych możemy mieć nieskończoną ilość.

- cyfrowe

- pośrednie - pomiar i obliczenia

- bezpośrednie

- złożone - aby uzyskać wynik konieczne jest rozwiązanie układu równań

- podstawowe - polega na pomiarach wielkości, wartości które jest definicją mierzonej wielkości

- odchyłowa

- różnicowa - polega na pomiarze różnicy pomiędzy wartością mierzoną a wzorcową

- koincydencyjna

- metody zerowe : kompensacyjne (wielkości aktywne), komparacyjne (mierzymy jaką krotną wielkości wzorcowej jest wielkość mierzona)

- podstawieniowa

Przyczyny powstawania uchybów:

- wady metody pomiarowej

- niedostateczna znajomość wszystkich okoliczności związanych z pomiarem

- niedoskonałość zmysłów obserwatora

- nieuwaga obserwatora

- zmiany w czasie parametrów, które zakładaliśmy jako stałe

Wyróżniamy uchyby : systematyczne, przypadkowe, omyłki

Elektryczne mierniki wskazówkowe:

EMW nazywamy elektryczny przyrząd pomiarowy przeznaczony do ustalenia z określoną dokładnością wartości wielkości elektrycznej za pomocą wskazówki materialnej lub świetlnej. Składają się z ustroju i układu.

Ustrój jest silnikiem elektrycznym gdzie część ruchoma przesuwa się względem części nieruchomej wskutek działania siły wytworzonej przez doprowadzenie do ustroju wielkości elektrycznej (napięcie, moc, prąd)

Układ miernika jest obwodem elektrycznym, służącym do przekształcania mierzonej wielkości elektrycznej w wielkość elektryczną działającą na ustrój.

Tłumiki ruchu:

Są stosowane do wytracania energii kinetycznej wskazówki ponieważ wskazówka ma dużą bezwładność i chodzi o jak najszybsze uzyskanie (ustalenie się) wielkości mierzonej.

Wyróżniamy tłumiki powietrzne, cieczowe, aperiodyczne.

Ruch periodyczny - gdy wskazówka waha się w pobliżu punktu ustalonego

Tłumienie krytyczne - najszybsze osiągnięcie punktu ustalonego

Amperomierz bezpośredni

W amperomierzu tym cały mierzony prąd płynie przez ustrój pomiarowy. Doprowadzany prąd nie może mieć zbyt dużej wartości. Najczęściej występującym błędem dodatkowym jest błąd temperaturowy. Zmiana rezystancji ustroju nie powoduje powstawania błędu dodatkowego, gdyż prąd w mierniku jest wymuszony. Wzrasta jedynie nieznacznie spadek napięcia na mierniku, co nie ma praktycznie żadnego znaczenia. Amperomierze bezpośrednie mogą być stosowane we wszystkich klasach dokładności. W celu zwiększenia zakresu pomiarowego amperomierza bocznikuje się jego cewkę za pomocą opornika zwanego bocznikiem. Przez cewkę płynie wówczas tylko część mierzonego prądu, a reszta przez bocznik.

Metody i przyrządy służące do pomiaru oporności:

1. Metoda poprawnie mierzonego napięcia - służy do pomiaru małych oporności ; woltomierz mierzy napięcie bezpośrednio na elemencie mierzonym a wskazanie amperomierza jest równe sumie prądów płynących przez woltomierz

2. Metoda poprawnie mierzonego prądu - układ dobry dla pomiaru dużych oporności ; Woltomierz wskazuje sumę napięć które są spadkami napięcia na rezystancji wewnętrznej amperomierza

Omomierz szeregowy:

Przeznaczony do pomiaru rezystancji średnich i dużych. W układzie tym szeregowo z ustrojem magnetoelektrycznym jest włączony opornik Rs oraz źródło napięcia stałego. Obwód prądu zostaje zamknięty przez włączenie między zaciski omomierza opornika Rx, które rezystancję należy zmierzyć. Zwierając zaciski omomierza uzyskuje się największy możliwy prąd w ustroju.

Omomierz równoległy (stosowanych dla małych wartości rezystancji / dla bardzo dużych należy zwiększyć napięcie).

Ustrój elektrodynamiczny - działanie tego ustroju jest oparte na wykorzystaniu sił występujących między cewkami, w których płyną prądy.

Ustrój magnetoelektryczny:

Przepływ prądu przez cewkę indukuje pole magnetyczne. W wyniku oddziaływania między stałym polem magnetycznym od magnesu a polem indukowanym przez cewkę, pojawia się siła oddziałująca na cewkę. Tej sile przeciwdziała siła sprężystości sprężyn, co doprowadza do ustalenia się nowego punktu równowagi. Ponieważ cewka umocowana jest na osi, jej ruch to obrót. Kąt o jaki obróci się element ruchomy zależy od stałej zwracania sprężyn k, wartości indukcji stałego pola magnetycznego B, liczby zwojów cewki z, średniej szerokości zwoju cewki d, głębokości zanurzenia cewki w szczelinie magnesu l oraz od prądu I przepływającego przez cewkę.

Ponieważ wartości B, k, z, d, l są stałe, kąt wychylenia α jest proporcjonalny do wartości przepływającego przez cewkę prądu I.

Pomiar wartości prądu przemiennego praktycznie nie jest możliwy jeśli okres ustalania się położenia organu ruchomego (około 0,2-2s) jest dłuższy niż okres mierzonego prądu. Jeśli prąd przemienny ma składową stałą, ustrój magnetoelektryczny wychyli się do położenia równowagi zależnego od wartości tej składowej.

Układ Arona - służy do pomiaru mocy czynnej w układzie trójprzewodowym symetrycznym lub niesymetrycznym.

Ustrój indukcyjny - do pomiaru prądów zmiennych. Moment napędowy powstaje wskutek oddziaływania ustroju magnetycznego.

Liczniki energii elektycznej są przyrządami przeznaczonymi do pomiaru energii czynnej lub biernej w obwodach prądu przeminnego (buduje się także liczniki pradu stałego). Moment hamujący pochodzi głównie od pola magnesu trwałego obejmującego tarczę. Wartość tego momentu zależy od pradów wirowych indukowanych w tarczy. Prądy indukowaner są proporcjonalne do prędkości przecinania pola magnetycznego przez tarczę.

Przekładnik prądowy:

Przekładniki prądowe mają uzwojenie pierwotne i wtórne nawinięte na rdzeń ferromagnetyczny wykonany z blach transformatorowych płaskich. Uzwojenia są staranie odizolowane od siebie. Izolacja chroni przed przebiciem wysokiego napięcia do uzwojenia wtórnego, które to napięcie może występować na przewodzie z mierzonym prądem. Przekładnik prądowe pracują w stanie zbliżonym do stanu zwarcia transformatora, więc przeznaczone są do pracy w stanie zwarcia.

Przekładnik napięciowy:

Przekładnik napięciowy jest pomiarowym transformatorem jednofazowym pracującym w warunkach zbliżonych do stanu jałowego. Umożliwia pomiary i kontrolę parametrów elektrycznych w sieci wysokiego napięcia przy stosowaniu aparatury niskiego napięcia.

Przekładniki prądu stałego (transduktory):

Stosowane są do pomiarów pradów stałych o dużych wartościach, rzędu kiloamperów. Przekładniki te składają się z dwóch rdzeni, wykonanych z blach ferromagnetycznych o prostokątnej pętli histerezy. Na każdym rdzeniu nawinięte są uzwojenia pierwotne i wtórne.

Przetwornik LEM - jest to przetwornik dwurdzeniowy z zamknięta pętlą sprzeżenia zwrotnego.

Mostki pomiarowe:

Mostek Viena (RC) - jest przeznaczony do pomiarów pojemności i kąta strat kondensatorów. Pojemność mierzoną porównuje się z pojemnością kondensatora wzorcowego. Stan równowagi mostka uzyskuje się poprzez równoważenia go odpowiednimi rezystorami umieszczonym w prawej części mostka. Mostek jest w równowadze gdy galwanometr wskazuje 0

Mostek ten jest przeznaczony do pracy przy niedużych napięciach.

Mostek Maxwella (LR) - służy do pomiaru indukcyjności własnej obwodów liniowych (nie zawierających rdzeni ferromagnetycznych). Indukcyjność mierzoną porównuje się w mostku z indukcyjnością wzorcową.

Mostek Viena-Maxwella (RLC) / mostki półautomatyczne - przeznaczone są do pomiaru rezystancji, indukcyjności i pojemności oraz umożliwiają wyznaczenie dobroci cewek Q i współczynnika stratności d kondensatorow czyli tg δ.

Mostek rezonansowy - równowaga mostka występuje przy rezonansie szeregowym. Za pomocą mostka można mierzyć pojemność C przy znanych wartościach L i ω. Mostek może być także stosowany do pomiaru częstotliwości.

Mostek Schoeringa (mostek wysokonapięciowy) - przeznaczony jest do pomiaru pojemności i kąta strat przy zasilaniu układu pomiarowego wysokim napięciem. Badania dielektryków np. kabli i izolatorów wykonuje się przy znamionowym napięciu ich pracy. Mostki Schoeringa pracujące przy wysokim napięciu mają budowę zapewniającą bezpieczeństwo obsłudze. Mostek ten wykorzystywany jest do : oceny jakości pojemności, izolacji kabli, transformatorów. Kondensator wzorcowy jest kondensatorem napowietrznym.

Kompensatory napięcia stałego:

Pomiar napięcia metodą kompensacyjną polega na porównaniu napięcia mierzonego ze znaną wartością napięcia wzorcowego. Przez zmianę wartości napięcia wzorcowego można doprowadzić wskazanie galwanometru do zera. Stan kompensacji osiąga się wówczas, gdy galwanometr nie wykazuje różnicy potencjał (przepływu prądu). Kompensatory są budowane w dwóch zasadniczych odmianach: o regulowanym prądzie roboczym oraz o stałym prądzie roboczym.

Kompensator o regulowanym prądzie roboczym - wartość prądu roboczego, która jest regulowana za pomocą opornika mierzy amperomierz. Napięcie zmierzone porównuje się ze spadkiem napięcia na stałym oporniku wzorcowym. W układzie skompensowanym mierzone napięcie wyznacza się na podstawie wskazania amperomierza i znanej wartości rezystancji.

Kompensator i stałym pradzie roboczym - prąd roboczy o stałej i znanej wartości powoduje na oporniku spadek napięcia porównywany z mierzonym napięciem. Regulując opornik potencjometryczny doprowadza się układ od kompensacji.

Siły termoelektryczne - gdy mamy dwa metalowe ogniwa to między nimi wytwarza się bardzo małe napięcie ale mimo wszystko wpływa ono na niedokładność pomiaru.

Kompensatory prądu dla napięcia stałego:

Pomiar kompensacyjny prądu elektrycznego polega na porównaniu mierzonego prądu z prądem wzorcowym wymuszonym przez źródło prądowe. Prąd galwanometru stanowi różnicę wartości wzorcowej i mierzonej prądu. Kompensatory prądu stałego umożliwiają pomiar prądu bez wprowadzania dodatkowej rezystancji w obwód badany.

TECHNIKA POMIARÓW - SEMESTR IV

Przetwornik Analogowo-Cyfrowy (A/C)

Przetwornikiem analogowo-cyfrowym nazywa się urządzenie przetwarzające wielkość analogową w cyfrowy sygnał pomiarowy (liczbę wyrażoną w odpowiednim kodzie). ; zapewniają dużą szybkość pomiaru

Przetwornik bezpośredni - następuje tutaj bezpośrednie porównanie wielkości analogowej z sygnałem wzorcowym (odniesienia) sterowanym cyfrowo, w wyniku czego powstaje sygnał cyfrowy zawierający informację pomiarową o wielkości analogowej.

Do tej grupy należą przetwornik kompensacyjne (mierzoną wielkość kompensują z wielkością wypracowaną przez przetwornik)

- z kompensacją równomierną - posiada dość długi czas przetwarzania, charakteryzuje się dosyć złożonym układem generacji napięć schodkowych, (napięcie wzorcowe ma przebieg schodkowy, przy czym zmiana napięcia odbywa się równomiernymi przyrostami ΔU o wadze ostatniego najmniej znaczącego bitu 2⁰.)

Napięcie wzorcowe jest wytwarzane w przetworniku C/A w wyniku przetwarzania na sygnał analogowy zawartości licznika. Zliczanie impulsów z generatora zegarowego rozpoczyna się po skasowaniu licznika impulsem z układu sterującego i podaniu przez ten układ jedynki logicznej na jedno z wejść bramki B. Na pozostałe wejścia bramki przychodzą sygnały z komparatora K i generatora zegarowego.

- z kompensacją wagową - w tym przetworniku proces przetwarzania napięcia w kod cyfrowy przypomina ważenie według określonego programu, wynikającego z zastosowanego kodu.

Układ sterujący na początku zeruje zawartość rejestru, w związku z tym napięcie wyjściowe z przetwornika C/A podawane na jedno z wejść komparatora jest równe 0. Jeśli na drugim wejściu panuje napięcie mierzone to jedynka logiczna z wyjścia komparatora przez układ sterujący ustawia jedynkę logiczną na pozycji najwyższego bitu rejestru.

Pełny cykl równoważenia w przetwornikach A/C kompensacyjnych wagowych trwa stosunkowo krótko, gdyż napięcie kompensujące wytwarza się z przyrostów nierównomiernych, początkowo dużych. Wynik porównania obydwu napięć: mierzonego i wzorcowego w kolejnych taktach zostaje zapamiętany przez rejestr oraz może być wyprowadzony w postaci sygnału cyfrowego.

- bezpośrednie porównanie wagowe

Przetwornik pośredni - przekształca wstępnie wielkość analogową w inną wielkość fizyczną, która następnie jest bezpośrednio przetwarzana w sygnał cyfrowy.

Przetwornik Cyfrowo-Analogowy (C/A)

Przetwornik C/A przekształca liczbę wyrażoną w odpowiednim kodzie na sygnał analogowy o wartości proporcjonalnej do danej liczby. Przetworniki te są stosowane przede wszystkim w woltomierzach cyfrowych, w których przetwarzanie analogo-cyfrowe jest oparte na metodzie kompensacyjnej.

Parametrami charakteryzującymi przetwornik C/A są :

Zdolność rozdzielcza, zakres napięcia lub prądu wyjściowego, rezystancja wyjściowa, rodzaj kodu wejściowego oraz szybkość przetwarzania.

Układ przetwornika C/A składa się najczęściej ze źródła napięcia (lub prądu) odniesienia, sieci rezystorów, przełączników analogowych oraz wzmacniacza operacyjnego.

W układzie przetwornika C/A wartości rezystancji dobrano tak do współczynników aby przy zamkniętych przełącznikach płynęły przez nie prądy odpowiadające pozycji kodu. Przełączniki analogowe są zamknięte wówczas, gdy na odpowiednich pozycjach kodu występują jedynki logiczne. Napięcie wyjściowe ze wzmacniacza operacyjnego jest proporcjonalne do poszczególnych prądów, przy zamkniętych pojedyńczych przełącznikach.

Przetwornik C/A ze stałą rezystancją wyjścia to przetwornik z rezystorami wagowymi o stałej wartości

Przetworniki całkujące :

Aby zmniejszyć do minimum niekorzystny wpływ prądu polaryzującego (sumowanie się na wejściu wzmacniacza oddziaływania tego prądu i napięcia niezrównoważenia) do wejścia nieodwracającego dołacza się oporniki.

Przetwornik dwukrotnie całkujący - potrafi kompensować zmiany stałej czasowej integratora.

Układ startowa załącza k2 aby rozładować kondensator i wysyła sygnał zerujący na licznik,. rozwiera k2 i zwiera k1.

Przetwornik potrójnie całkujący - nie wprowadza błędów przy pomiarach małych napięć

Przetwornik poczwórnie całkujący - eliminuje niedoskonałość wzmacniacza operacyjnego w integratorze, eliminuje wymóg dużej prędkości komparatora.

Voltomierz cyfrowy - układ wejściowy to przełączany dzielnik napięcia, do małych wartości stosuje się przetworniki o większej czułości lub wzmacniacze.

Zalety woltomierza cyfrowego: duża dokładność pomiaru (dzięki wyeliminowaniu błędu związanego z subiektywnością odczytu), automatyczny wybór zakresu i polaryzacji, możliwości przyłączenia urządzenia drukującego.

Układ sterujący zeruje przed rozpoczęciem pomiaru licznik w przetworniku A/C, a po zakończeniu cyklu przetwarzania decyduje o przepisaniu zawartości licznika do dekodera.

Błedy pomiaru metodami cyfrowymi:

- błąd kwantyzacji (wynika z koncepcji pomiaru)

- bład nieliniowości całkowej (wynika z nieliniowości układu całkującego przetwornika)

- błąd nieliniowości rózniczkowej (bład straconych bitów)

- bład współczynnika skali (gdy współczynnik wzmocnienia jest inny od założonego przez konstruktora)

- błąd przesunięcia zera (wpływa na niego wejściowe napięcie niezrównoważenia wzmacniacza operacyjnego zastosowanego w przetworniku A/C)

- błąd szumów / błąd szumowy

Błąd współczynnika skali oraz błąd przesunięcia zera może być skompensowany przez odpowiedni układ elektroniczny.

Przetwornik ~ / wartość skuteczną (przetwornik rzeczywistej wartości skutecznej)

- posiada większą dokładność

Przykładami napięcie na R1, wydziela się na nim moc, która ogrzewa tranzystor TS1, co zwiększa prąd płynący przez TS1 a zmniejsza prąd płynący przez TS2 ponieważ jest to wzmacniacz różnicowy. Komparator porównuje ten prąd z prądem TS2 który do tej pory jeszcze nie płynie. Prądy płynące przez TS1 i TS2 są równe gdy temperatury są równe (dla identycznych tranzystorów)

Przetwornik TDM - całkowanie i uśrednianie, stosowany w licznikach energii, wystarczy mierzoną moc całkować po czasie)

Cyfrowy licznik energii elektrycznej:

Układ PP - układ próbkująco-pamiętający

Układ PLL - generator z pętlą synchronizacji fazy

Mostek zerowy służy do pomiaru dużych pojemności.

Pomiar częstotliwości i czasu:

Częstościomierz - układ do pomiaru częstotliwości (do pomiaru dużych częstotliwości i małych okresów). Wzmacniacz i układ formujący I dostosowują się do odpowiedniego poziomu.

Tak uformowany sygnał podawany jest na iloczyn logiczny (bramkę), na drugie wejście bramki podawany jest sygnał z układu opóźniającego. Czas kiedy otwieramy licznik dobieramy tak aby ilość impuslów była jak największa. Na początku wysyłamy impuls G do licznika aby go wykasować. Otwarcie bramki powinno nastąpić później niż zerowanie licznika.

Impulsy zliczane z licznika są zaliczane w okreslonym czasie wzorcowym. Liczba impulsów odpowiada mierzonej częstotliwości.

Układ do pomiaru okresu: pomiar małych częstotlwiości i dużych okresów).

Należy wybierać duzą częstotliwość z dzielnika częstotliwości ale nie za dużą żeby się nie przepełnił licznik. Dla małych częstotliwości wygodniej zmierzyć okres a później ją wyliczyć.

Układ do porównywania częstotliwości:

Przebieg z wejścia B otwiera i zamyka bramkę. Częstotliwość B dzielimy tak aby była przynajmniej 100 razy większa od częstotliwości A.

Błędy próbkowania:

Okno wyzwalania (do wyeliminowania wpłuwu szumów); szumy wpływają na ilość impulsów (przy małym oknie wyzwalania). Stosując odpowiednie okno wyzwalania można wyeliminować wpływ szumów.

Liczba impulsów jest proporcjonalna do sinusoidy a nie do częstotliwości szumów (duże okno wyzwalania)

Układ do pomiaru fazy (mierzy przesunięcie fazowe):

Porównuje fazy i jeśli są równe to wyznacza kąt.

Liczba impulsów zliczonych przez licznik jest zawsze proporcjonalna do przesunięcia fazowego a nie do częstotliwości napięć.

Detektor fazy - porównuje sygnały na wejściu; częstotliwość na wyjściu zależy od napięcia na wejściu.

Pomiar fazy z wyliczeniem średniej pozwala dodatkowo wyeliminować błąd szumów; robi dużo pomiarów i wylicza średnią.

Błędy pomiaru okresu

- błąd przypadkowy

- błąd systematyczny (duże okno wyzwalania przebiegu to inny okres niż w rzeczywistości); żeby wyeliminować ten błąd należało by zwęźić okno wyzwalania

- błąd dyskretyzacji (minimalizujemy go zwiększając ilość zliczonych impulsów)

Metoda interpolacyjna

Polega na dokładnym pomiarze czasu, pozwala zwiększyć dokładność pomiaru.

Dokonujemy pomiaru impuslów od sygnału START do 0 oraz od STOP do N0. Przedział mierzymy ilością taktów generatora, żeby to dokładniej zmierzyć trzeba znać czasu do taktu 0 generatora czasowego. Żeby dokładnie zmierzyć czas od START do taktu zerowego możemy wydłużyć ten odcinek znaną ilość razy.

Metoda Dual-Vernier (podwójnego suwaka)

Generator wyzwalany zaczyna generować kiedy otrzyma polecenie. Pierwszy generator startuje kiedy zaczyna się przebieg a drugi kiedy się kończy.

Koincydencja - pokrywanie się impulsów generatora wyzwalnego z impulsami generatora wzorcowego

Układ do pomiaru pewnego przedziału czasu:

Mierzymy czas między dwoma zdarzeniami podawanymi na dwa różne wejścia układu

Układ ten można wykorzystać do zmierzenia szerokości impulsu.

Dodatkowe informacje!!!

Czas propagacji - czas po którym uzyskamy odpowiedź na sygnał wejściowy (zależy od jakości komparatora)

Można zbudować komparator albo szybki albo z niskimi szumami

Integrator wprowadza największe błędy (prąd polaryzacji i wejściowe napięcie niezrównoważenia). Charakteryzuje się też stałą czasową RC, dokładność rezystora i kondensatora ma wpływ na dokładność.

Zwolnienie lub przyspieszenie generatora nie ma wpływu na dokładność.

Oscylacje przy pomiarze dużych napięć nie mają większego wpływu, ale przy małych wprowadzają błąd.

---