P O L I T E C H N I K A G D A Ń S K A
ROMUALD ZIELONKO, BOGDAN BARTOSIŃSKI,
JERZY HOJA, WOJCIECH RYDZKOWSKI,
WOJCIECH TOCZEK
LABORATORIUM
Z PODSTAW MIERNICTWA
Skrypt jest przeznaczony dla studentów I i II roku
Wydziału Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki
GDAŃSK 1998
SPIS TREŚCI
WSTĘP 8
BŁĘDY POMIARÓW 10
Podstawowe pojęcia i definicje 10
Klasyfikacja błędów pomiaru 12
Podstawy rachunku błędów 13
Błędy systematyczne w pomiarach bezpośrednich 13
Błędy przypadkowe w pomiarach bezpośrednich 14
Błędy przypadkowe w pomiarach o niejednakowej dokładności 23
Błędy w pomiarach pośrednich 25
3. OPRACOWANIE I PRZEDSTAWIANIE WYNIKÓW POMIARÓW 29
Podstawowe zasady przedstawiania wyników pomiarów 29
Zasady postępowania matematycznego przy opracowywaniu wyników pomiarów 29
Sporządzanie wykresów zależności funkcyjnych pomiędzy mierzonymi wielkościami 30
Wyrównywanie danych pomiarowych metodą najmniejszych kwadratów 31
JEDNOSTKI I WZORCE MIAR 35
Jednostki miary 35
Wzorce 37
Źródła wzorcowych napięć stałych 37
Ogniwo Westona 37
Źródło oparte na złączu Josephsona 38
Wzorce rezystancji 39
Etalon rezystancji 39
Oporniki wzorcowe 39
Źródła częstotliwości wzorcowych 40
Wzorzec cezowy 41
Wzorzec rubidowy 41
Wzorzec wodorowy 41
WYTYCZNE WYKONYWANIA ĆWICZEŃ I SPRAWOZDAŃ 43
Protokół pomiarów 43
Sprawdziany 43
Montaż układu pomiarowego 44
Pomiary 44
Sprawozdanie 45
PODSTAWOWE MIERNIKI I POMIARY ELEKTRYCZNE 46
Ćwiczenie nr 1
Cel ćwiczenia 46
Wprowadzenie 46
Mierniki magnetoelektryczne 46
Woltomierze i amperomierze magnetoelektryczne 49
Omomierz magnetoelektryczny 51
Multimetr cyfrowy 53
Wykaz sprzętu pomiarowego 55
Zadania 56
Zapoznanie się z miernikami elektrycznymi 56
Wzorcowanie woltomierza 56
Pomiar rezystancji wewnętrznej woltomierza metodą podstawiania 56
Zmiana zakresu pomiarowego woltomierza 57
Pomiary miliamperomierzem magnetoelektrycznym 58
Pomiary omomierzem 58
Zastosowanie multimetru cyfrowego w pracy autonomicznej 59
Zastosowanie multimetru cyfrowego w trybie współpracy z komputerem 60
6.5. Opracowanie 61
POMIARY OSCYLOSKOPOWE 63
Ćwiczenie nr 2
Cel ćwiczenia 63
Wprowadzenie 63
Budowa i właściwości oscyloskopu elektronicznego 63
Podstawowe zasady obserwacji przebiegów za pomocą oscyloskopu 70
Słownik terminologii angielskiej 71
Wykaz sprzętu pomiarowego 72
Zadania pomiarowe 73
Wzorcowanie kanałów X i Y oscyloskopu napięciem stałym 73
Pomiary współczynnika wypełnienia przebiegu prostokątnego 74
Pomiary napięcia i czasu oscyloskopem 76
Różnicowe pomiary między dwoma punktami nieuziemionymi 76
Obserwacja przebiegów w układach cyfrowych 78
Pomiary parametrów impulsów 79
Obserwacja charakterystyk diod półprzewodnikowych I=f(U) w obszarze przewodzenia 80
7.5. Opracowanie 81
POMIARY CZASU, CZĘSTOTLIWOŚCI I PRZESUNIĘCIA FAZOWEGO 83
Ćwiczenie nr 3
Cel ćwiczenia 83
Wprowadzenie 83
Analogowe metody pomiarowe 83
Cyfrowe metody pomiarowe 88
Obsługa przyrządu HP-53131A 93
Słownik terminologii angielskiej 99
Wykaz sprzętu pomiarowego 99
Zadania pomiarowe 99
Oscyloskopowe pomiary częstotliwości i fazy 99
Cyfrowe metody pomiaru czasu, częstotliwości i fazy 102
8.5. Opracowanie 108
MULTIMETRY CYFROWE 109
Ćwiczenie nr 4
Cel ćwiczenia 109
Wprowadzenie 109
Multimetry serwisowe 109
Multimetry laboratoryjne 110
Budowa multimetrów cyfrowych 110
Przetworniki A/C stosowane w multimetrach cyfrowych 111
Tłumienie zakłóceń okresowych nałożonych na mierzone napięcie 113
Podstawowe parametry metrologiczne multimetrów cyfrowych 115
Przegląd multimetrów cyfrowych czołowych firm światowych 116
Słownik podstawowych terminów anglojęzycznych 116
Sposób wykonywania ćwiczenia laboratoryjnego 117
Wykaz sprzętu pomiarowego 119
Zadania pomiarowe 120
Pomiar napięcia woltomierzem integracyjnym z przetwarzaniem U/t, dobieranie właściwego zakresu pomiarowego i określenie rozdzielczości pomiaru 120
Pomiar napięcia stałego w obecności zakłóceń 120
Pomiar rezystancji 121
Określanie stanów logicznych sygnałów cyfrowych 122
Pomiar prądu 123
Badanie woltomierza z przetwarzaniem U/f 123
Dodatkowe funkcje nowoczesnych multimetrów cyfrowych: pomiary spadku napięcia na złączach p-n i relatywne pomiary napięcia 124
Identyfikacja elementów na podstawie pomiarów za pomocą współczesnego multimetru cyfrowego 125
Współpraca multimetru M-4650CR z komputerem osobistym 126
9.5. Opracowanie 126
POMIARY NAPIĘĆ ZMIENNYCH 127
Ćwiczenie nr 5
Cel ćwiczenia 127
Wprowadzenie 127
Wykaz sprzętu pomiarowego 136
Zadania pomiarowe 136
Pomiar charakterystyki diody i rezystancji miliamperomierza 136
Skalowanie woltomierza prostownikowego z przetwornikiem wartości średniej 137
Obserwacja i pomiary napięć w układzie mostkowym woltomierza prostownikowego za pomocą oscyloskopu 137
Pomiar skutecznej rezystancji wejściowej woltomierza z przetwornikiem wartości średniej 138
Skalowanie woltomierza prostownikowego z przetwornikiem wartości szczytowej 138
Obserwacja i pomiary napięć w przetworniku wartości szczytowej 139
Pomiar modułu impedancji wejściowej woltomierza elektronicznego V-640 139
Pomiar napięcia wielkiej częstotliwości (zadanie nadobowiązkowe) 140
Pomiary przebiegów odkształconych 140
Rejestracja i pomiary przebiegów wolnozmiennych 141
Symulacja komputerowa pomiaru amplitudy i częstotliwości napięcia sinusoidalnie zmiennego za pomocą próbkowania (zadanie nadobowiązkowe) 142
10.5. Opracowanie 143
POMIARY ELEMENTÓW RLC 144
Ćwiczenie nr 6
Cel ćwiczenia 144
Wprowadzenie 144
Stałoprądowe układy mostkowe 144
Układy do pomiaru składowych impedancji 149
Metoda pomiarowa pojemności w przenośnych multimetrach cyfrowych typu „Metex” 153
Wykaz sprzętu pomiarowego 154
Zadania pomiarowe 154
Pomiary rezystancji mostkiem Whatstone'a 154
Pomiary małej rezystancji mostkiem Thomsona 156
Pomiar pojemności kondensatora cyfrowym miernikiem RLC 157
Pomiar pojemności kondensatora o dużym współczynniku stratności D miernikiem E317A 157
Pomiar kondensatorów o małych wartościach pojemności 158
Pomiar indukcyjności i rezystancji miernikiem RLC 159
Pomiar pojemności kondensatora multimetrem cyfrowym Metex M-4650CR 159
11.5. Opracowanie 160
REGULAMIN LABORATORIUM 162
LITERATURA 163
1. WSTĘP
Skrypt ”Laboratorium z Podstaw Miernictwa” jest przeznaczony dla studentów 2 lub 3 semestru wszystkich kierunków studiów na Wydziale Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki Politechniki Gdańskiej. Laboratorium jest ilustracją wykładu „Podstawy Miernictwa”.
Treść skryptu została podzielona na 2 części. Część pierwsza zawiera wiadomości podstawowe, stanowiące uzupełnienie wykładu (np. jednostki i wzorce) lub jego rozwinięcie (np. błędy pomiarów). Wiadomości te są szczególnie użyteczne w realizacji ćwiczeń laboratoryjnych lub przy opracowywaniu ich wyników.
Druga, zasadnicza część skryptu obejmuje sześć ćwiczeń laboratoryjnych opraco-wanych w jednolitej formie. Każde ćwiczenie zawiera wprowadzenie teoretyczne oraz instrukcję wykonywania ćwiczenia. Wprowadzenie zawiera kompendium wiedzy niezbędnej do racjonalnego wykonania ćwiczenia. Często jest to wiedza odświeżająca treść wykładu, a czasami rozszerzająca jego ramy. Instrukcja zawiera wykaz sprzętu pomiarowego oraz formułuje zadania pomiarowe do wykonania w laboratorium, a także zadania do opracowania w domu.
Zadania pomiarowe zawierają na ogół schemat ideowy lub blokowy układu pomiarowego zestawianego do realizacji danego zadania oraz tabele, w których należy zanotować wyniki pomiarów i które determinują warunki pomiarów oraz punkty pomiarowe. Zadania zawierają też czasami uwagi dotyczące sposobu wykonywania pomiarów, strojenia układów lub takiego ustawienia pozycji wyjściowych regulatorów przyrządów, aby uchronić je od niebezpieczeństwa uszkodzeń.
Metodyka wykonywania ćwiczeń w Laboratorium Podstaw Miernictwa była wielo-krotnie modernizowana celem uzyskania coraz lepszych walorów dydaktycznych. Opracowana ostatnio edycja laboratorium, dla której wydano ten skrypt, odznacza się kilkoma charakterystycznymi cechami, mającymi nowatorski charakter w skali uczelni i kraju.
Laboratorium jest prowadzone szerokim frontem, w którym wszyscy studenci wykonują te same ćwiczenia w racjonalnej sekwencji, poczynając od ćwiczenia naj-prostszego, a kończąc na najbardziej złożonym. Taka metodyka umożliwia opty-malne rozmieszczenie ćwiczeń w czasie i odrabianie ich z racjonalnie zapro-gramowanym opóźnieniem do wykładu.
Laboratorium jest prowadzone systemem „jeden student przy jednym stanowisku”. Dzięki wprowadzeniu tego, zresztą bardzo kosztownego (bo wymagającego dużej ilości aparatury), systemu zlikwidowano występujące w przeszłości negatywne zjawisko „przemykania się” niektórych studentów przez laboratorium drogą „sekretarzowania”. W przeszłości bardzo często wieloosobowa grupa ćwiczeniowa dobierała się w taki sposób, że jeden student (na ogół absolwent technikum elektrycznego) pełnił rolę mózgu grupy, a inny student (na ogół najsłabszy) pełnił rolę sekretarza specjalizującego się w sporządzaniu tabel, notowaniu wyników itp. Ten podział z reguły utrwalał się i powtarzał w innych laboratoriach na wyższych latach, a w wielu przypadkach trwał do końca studiów. W obecnym systemie każdy student musi być jednocześnie i mózgiem, i sekretarzem, i manualnym wykonawcą czynności laboratoryjnych (łączenia układów, strojenia, notowania wyników).
Ostatnia edycja laboratorium została skomputeryzowana, przy czym komputery zostały wykorzystane nie tylko do sterowania procesami pomiarowymi, lecz także do monitorowania i wspomagania procesu dydaktycznego. Przykładem tego ostatniego może być ćwiczenie nr 4 „Multimetry cyfrowe”, gdzie komputer nie tylko wyznacza indywidualne zadania pomiarowe dla każdego studenta, po uprzednim przetesto-waniu jego wiedzy, ale także nadzoruje każdą czynność wykonywaną przez niego ręcznie, nagradzając dodatnimi punktami czynności poprawne, a obciążając ujemnymi punktami czynności błędne. W ten sposób każdy student po realizacji ćwiczenia otrzymuje sumę punktów (od 0 do 10000), która jest miarą jego przygotowania i sprawności wykazanej w trakcie ćwiczenia. Student może porównać swoją ocenę punktową z ocenami innych studentów, którzy ćwiczyli na danym stanowisku. Po zakończeniu ćwiczeń czołówka listy rankingowej jest publikowana. Jest to czynnik mobilizujący studentów do lepszego przygotowania i lepszej koncentracji w trakcie ćwiczenia w celu uzyskania dobrego miejsca na liście rankingowej.
Niektóre ćwiczenia zawierają obok zadań obligatoryjnych również nieobowiązkowe zadania pomiarowe, adresowane do studentów bardziej zdolnych i ambitnych lub też lepiej wprowadzonych w technikę pomiarową i komputerową. Wzbudza to zainteresowanie i mobilizuje do wysiłku takich studentów, którzy w technikum mieli już do czynienia z pomiarami lub dysponując własnymi komputerami głęboko wciągnęli się w technikę komputerową. W ten sposób program każdego ćwiczenia może być dopasowany do indywidualnych predyspozycji, zainteresowań i możliwości studenta.
Poszczególni autorzy skryptu opracowali następujące jego części: R. Zielonko rozdziały 1, 2 i 6; B. Bartosiński rozdziały 5 i 12; J. Hoja rozdziały 4 i 11; W. Toczek rozdziały 3 i 10.
Wspólnie opracowali: rozdział 7 - B. Bartosiński i J. Hoja; rozdział 8 - W. Rydzkowski i R. Zielonko; rozdział 9 - W. Toczek i St. Witanis.
8
9