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?

Zakres pomiarowy określa graniczne górne i dolne wartości, dla których dany miernik lub urządzenie pomiarowe działa poprawnie. Dokładność pomiarowa danego urządzenia jest zagwarantowana dla całego zakresu pomiarowego (przy czym nie musi być ona w całym zakresie jednakowa). Obecnie urządzenia pomiarowe posiadają zazwyczaj kilka przełączalnych zakresów pomiarowych, często przełączanych automatycznie w przypadku urządzeń cyfrowych. Zazwyczaj dokładność pomiarowa na krańcach zakresu jest niższa niż w jego środku. Dla urządzeń analogowych czułość jak i dokładność pomiarowa urządzenia jest zazwyczaj niższa w dolnej części zakresu pomiarowego.

2. Jaką część zakresu pomiarowego należy wykorzystywać przy pomiarze? Uzasadnić. Jak zależy błąd względny i bezwzględny od zakresu pomiarowego.

3. Omówić zasadę doboru galwanometru do układu mostkowego. Zdefiniować błąd podstawowy w mostku Thomsona i omówić jego składowe.

4. Zdefiniować błąd nieczułości występujący w pomiarach motkiem Thomsona i omówić doświadczalny sposób wyznaczania błędu nieczułości.

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= T₂ - T₁ 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* ΔT² + c*ΔT³ + …

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:

1. Czujniki termoelektryczne parametryczne, w których parametry czujników, takie jak rezystywność, przewodność czy przenikalność magnetyczna zależą od temperatury.

2. 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.

---