NARZĘDZIA POMIAROWE

Schemat funkcjonalny przyrządu pomiarowego

System pomiarowy – zbiór funkcjonalny przyrządów i przetworników pomiarowych objęty wspólnym sterowaniem (wewnętrznym lub zewnętrznym) tworzący jedną organizacyjną całość

Metoda pomiarowa –zespół czynności wykonywanych podczas przeprowadzania pomiaru celem określenia wartości wielkości mierzonej (wyniku pomiaru)

METODY POMIAROWE

Metody pomiarowe można dzielić ze względu na:

• sposób przetwarzania sygnału pomiarowego:

  • ‹ analogowe – mierzonej wielkości analogowej odpowiada sygnał pomiarowy ciągły

  • ‹ cyfrowe – ciągłe przedziały wartości wielkości mierzonej są odwzorowane przez dyskretne wartości sygnału pomiarowego

• „ sposób uzyskiwania wyniku pomiaru:

  • ‹ bezpośrednie – uzyskanie pomiaru, w wyniku których wartość wielkości mierzonej otrzymuje się bezpośrednio, bez potrzeby wykonywania dodatkowych obliczeń

  • ‹ pośrednie – wynik pomiarów otrzymuje się pośrednio z pomiarów bezpośrednich

  • ‹ złożone – nazywa się pomiary polegające na bezpośrednim lub pośrednim wyznaczeniu wartości pewnej liczby, wielkości związanych ze sobą układem równań algebraicznych

• „ sposób porównywania wielkości mierzonych z ich wzorcami:

  • ‹ podstawowa (absolutna) – opiera się na pomiarze wielkości podstawowych, wchodzących do definicji wielkości mierzonej

  • ‹ porównawcza

    •  odchyłowa, różnicowa, zerowa, kompensacyjna, komparacyjna

    • Metoda odchyłowa – polega na przyporządkowaniu wielkości mierzonej ( w jej aktualnym stanie) miejsca w uporządkowanym zbiorze wartości danej wielkości. Pomiar wykonuje się przyrządem pomiarowym wywzorcowanym w jednostkach miary danej wielkości

    • Metoda różnicowa – polega na odjęciu od wielkości mierzonej X znanej wartości X_w i pomiarze metodą odchyłową różnicy X-X_{w .} jako wynik wskazania przyrządu odczytuje się wartości α = X-X_w .

    • metod

Przyrządy i przetworniki pomiarowe

Są to narzędzia pomiarowe:

• „ Przyrządy -służące do wykonywania pomiaru

• „ Przetworniki –służące do zamiany wielkości mierzonej na sygnał pomiarowy

Znajomość zasady działania przyrządów pomiarowych jak też cech badanego obiektu umożliwia zminimalizowanie lub przewidzenie i właściwe obliczenie niedokładności pomiaru

Schematy przyrządów pomiarowych

• Schemat funkcjonalny – przedstawia realizacje algorytmu

• Schemat strukturalny - przedstawia strukturę (budowę) przyrządu

Schemat funkcjonalny

Schemat strukturalny

Podział przetworników i przyrządów

Ze względu na spełnianie funkcje rozróżnia się:

• „ Miernik – przyrząd pomiarowy wywzorcowany w jednostkach miary wielkości mierzonej (woltomierz, amperomierz czy też częstościomierz lub fazomierz)

• „ Rejestrator - przyrząd pomiarowy umożliwiający zapis wartości mierzonej w funkcji innej wielkości np. czasu

• „ Charakterograf - przyrząd umożliwiający obserwacje, pomiar lub rejestrację charakterystyk elementów lub układów elektronicznych

• „ Detektor zera – badają istnienie lub zanik zjawiska

• „ Przetwornik zmiany skali (wzmacniacze, tłumiki)

• „ Przetworniki zmiany charakteru (AC/DC, DC/AC, A/C, C/A, prąd/napięcie)

Przetworniki analogowe - struktury

Struktury:

• „ prosta lub złożona

• „ otwarta lub zamknięta

Struktura złożona otwarta (góra) i złożona zamknięta (dół)

Przetworniki analogowe - struktury c.d.

Przetwornik złożony:

• przetwornik pierwotny (czujnik) pobiera informacje pomiarową i przetwarza do innej postaci nadającej się do dalszego przetwarzania (parametryczne i generacyjne)

• przetwornik(i) pośredni przetwarza informacje wejściową na sygnał pomiarowy o odpowiednim charakterze

• przetwornik końcowy to przetwornik standaryzujący lub dopasowujący

Przetworniki analogowe – parametry

• Charakterystyka (statyczna) przetwarzania Y=f(X) (liniowa lub nieliniowa)

• czułość S=dY/dX

• stała przyrządu C=1/S

• Zakres: wskazań (miernika), przetwarzania (przetwornika) (Xmax-Xmin) lub pomiarowy

• warunki znamionowe

• błąd podstawowy (błąd w warunkach znamionowych), klasa dokładności (dopuszczalna wartość błędu podstawowego) i błędy graniczne dodatkowe (np. temperaturowe)

• parametry dynamiczne: charakterystyka czasowa, błąd dynamiczny, charakterystyka częstotliwościowa, pasmo przenoszenia

!! Klasa przyrządów charakteryzuje jego własności metrologiczne, nie jest jednak bezpośrednim wskaźnikiem dokładności pomiaru

Analogowe przetworniki pomiarowe wielkości elektrycznych

• „ Prąd/Napięcie (I/U) – np. bocznik

• „ Napięcie/Prąd (U/I) – np. posobnik (opornik dodatkowy)

• „ Dzielnik napięcia (rezystancyjny, pojemnościowy, indukcyjny)

• „ Tłumik

• „ Wzmacniacz pomiarowy

• „ Wzmacniacz izolujący

• „ Przekładniki: prądowe i napięciowe

• „ Przetwornik standaryzujący

• „ Przetworniki całkujące i różniczkujące

• „ Przetwornik AC/DC - prostownikowy (wartości średniej, wartości szczytowej, wartości skutecznej)

• „ Przetwornik mnożący: hallotron, gaussotron, półprzewodnikowe scalone układy mnożące

• „ przetworniki mocy

Mierniki analogowe

Mierniki, których wskazania są funkcją ciągłą wartości wielkości mierzonej.

Ze względu na strukturę:

• ‹ o działaniu bezpośrednim

• ‹ o działaniu pośrednim (elektroniczne)

Ze względu na rodzaj ustroju

• ‹ magnetoelektryczne (z przetwornikami)

• ‹ elektromagnetyczne

• ‹ elektrodynamiczne i ferrodynamiczne

Urządzenie odczytowe: podzielnia (skala) z podziałką(równomierną lub nierównomierną) wskazówka i lustro

Odczyt: działka elementarna, długość podziałki, błąd paralaksy

Mierniki analogowe

• „ amperomierz – zerowa rezystancja i włącza się szeregowo (przerywając obwód)

• „ woltomierz – nieskończona rezystancja i włącza się równolegle

• „ omomierz – szeregowy (rezystancje średnie i duże) i równoległy (rezystancje małe)

• „ watomierz – posiada zaciski prądowe i napięciowe

• „ galwanometr mierniki o bardzo dużej czułości

• „ multimetr – miernik wielofunkcyjny

Mierniki analogowe – przykład budowy

Budowa miernika magnetoelektrycznego:

• „ magnes stały

• „ ruchoma cewka (ramka) umocowana na sprężynach

• „ wskazówka połączona z ramką

Prąd płynący przez cewkę w polu magnetycznym powoduje jej obrót

Ogólnie równanie przetwarzania:

α=Si (S - czułość przetwornika; i -prąd)

Sam ustrój stanowi zatem mikroamperomierz prądu stałego.

Mierniki analogowe – przykład wykorzystania

Sam ustrój stanowi mikroamperomierz prądu stałego, natomiast:

• „ dołączając bocznik (Rb) zmieniamy zakres

• „ po dołączeniu posobnika (Rd) tworzymy woltomierz

• „ dodając przetwornik prostownikowy tworzymy woltomierz napięć zmiennych

Przetwarzanie C/C

Przetwarzanie cyfrowo-cyfrowe (C/C) realizowane jest poprzez układy cyfrowe (od elementarnych po mikroprocesorowe), które operują sygnałami cyfrowymi zarówno na wejściu jak i na wyjściu.

Sygnały cyfrowe są najczęściej dwuwartościowe czyli dwójkowe (binarne). W zależności od przyporządkowanych poziomów do stanów 0 i 1, rozróżnia się logikę dodatnią i ujemną. Dokładne wartości poziomów determinują technologie układów np. TTL, ECL lub CMOS

Zapis kombinacji cyfr 0 i 1 nosi nazwę słowa cyfrowego, w którym pierwszy bit z lewej to bit najbardziej znaczący (MSB) a z prawej to najmniej znaczący (LSB).

Przetworniki C/C

• „ Bramki logiczne: AND, OR, NOT, NOR, NAND, XOR, NAND, XOR

• „ Przerzutniki bistabilne (pamięciowe): R-S, J-K, D, T

• „ Rejestry (przesuwne, szeregowe, równoległe)

• „ Liczniki

• „ Dekodery (np. do wyświetlaczy)

• „ Komutatory: multipleksery i demultipleksery

• „ Mikroprocesory (zaawansowane funkcje

Mierniki cyfrowe

Mierniki, których wskazania są dyskretną funkcją wartości wielkości mierzonej.

• Realizowane głównie jako multimetry

• Zaciski pomiarowe

  • ‹ +: wysoki, High, Hi, Czerwony

  • ‹ -- : niski, Low, Lo, Czarny, Zielony, Common, Com

Urządzenie odczytowe: wyświetlacz, liczba cyfr, rozdzielczość

Odczyt: bezpośrednio wartość zmierzona

Błąd wskazań: błąd podstawowy (∆p) i dyskretyzacji (∆d), rozdzielczość (∆r), liczba niepewnych jednostek ostatniej cyfry (n)

Mierniki cyfrowe -Woltomierz cyfrowy

Schemat funkcjonalny woltomierza napięć stałych

Schemat funkcjonalny woltomierza mikroprocesorowego

Mierniki cyfrowe - omomierz cyfrowy

Zamiana rezystancji na napięcie

Stany nieustalone

Dla t=RC=τ, otrzymujemy uC=U0(1-e-1)= U00,632.

Wystarczy zmierzyć czas od włączenia klucza do osiągnięcia napięcia (U₀0,632), czyli czas ładowania kondensatora