+ Na obecnym wykładzie:

- pomiary wielkości nieelektrycznych

- systemowy opis przyrządów pomiarowych

- przyrządy o przetwarzaniu statycznym i dynamicznym oraz ich charakterystyki

- oddziaływanie przyrządu na wielkość mierzoną

- mierniki analogowe i elektroniczne

POMIARY WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH

Idea pomiarów - zastosowanie przetworników (czujników) wielkości nieelektrycznych na elektryczne

Czujniki i przetworniki wielkości fizycznych:

- Przetwornik to urządzenie (lub element) odwzorowujący wielkość wejściową na wielkość wyjściową w zdefiniowany sposób

Zwykle kilka przetworników łączonych jest szeregowo tworząc łańcuch przetwarzania

Czujnik to pierwszy element łańcucha przetworników mający bezpośredni kontakt z polem pomiarowym i reagujący na zmianę wielkości mierzonej

+ Zalety elektronicznego pomiaru wielkości nie elektrycznych:

- analogowe przetwarzanie sygnału pomiarowego (wzmacnianie, filtracja, itd.)

- przesyłanie sygnału na odległość

- przetwarzanie cyfrowe sygnału (obróbka matematyczna)

- sterowanie elektryczne obiektami

+ Typy czujników pomiarowych:

- parametryczne

- generacyjne

+ Mierzone wielkości nieelektryczne:

- wymiary geometryczne

- siły i momenty sił

- prędkość i przyspieszenie

- ciśnienia i przepływy

- moc, praca i energia mechaniczna oraz cieplna

- temperatura, ilość ciepła

- promieniowanie

- właściwości fizykochemiczne

OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA PRZYRZĄDÓW POMIAROWYCH

+ Przyrząd pomiarowy

Przyrząd pomiarowy to urządzenie służące do bezpośredniego lub pośredniego wykonywania pomiarów. Po doprowadzeniu do niego wielkości mierzonej daje wskazanie wartości tej wielkości dostępne zmysłom obserwatora, wyrażone w odpowiednich jednostkach miary.

+ Systemowy opis przyrządów (równanie przetwarzania)

Rys. Schemat przyrządu pomiarowego w ujęciu systemowym

+ Blokowy opis działania przyrządów

- analizując działanie i wewnętrzną budowę przyrządu można wyróżnić elementarne zjawiska opisane jednym równaniem matematycznym - tzw. Stopnie przetwarzania (przedstawianie w postaci bloku z wejściem i wyjściem)

- współzależność zjawisk określają położenie stopni przetwarzania, tworząc strukturę przyrządu

Rys. Elementarne połączenia bloków przetwarzania:

1. szeregowe

2. równoległe

3. ze sprzężeniem zwrotnym

>> rozróżniając i oznaczając bloki funkcjonalne, ogólną strukturę każdego przyrządu (systemu) pomiarowego można przedstawić za pomocą schematu blokowego zawierającego tzw. Łańcuch pomiarowy (w szczególnych przypadkach w urządzeniu mogą nie występować niektóre z bloków znajdujących się w schemacie ogólnym)

Rys. Ogólny schemat blokowy przyrządu pomiarowego

+ Charakterystyki statyczne:

- przetwarzanie statyczne charakteryzuje się zależnością wyniku przetwarzania (wynik pomiaru) jedynie od aktualnego stanu wejścia (wielkość mierzona) i tym samym niezależnością od stanów wejścia w przeszłości

- charakterystyki statyczne przyrządów uzyskuje się w procesie pomiarowym wykorzystującym odpowiednio dobrane wzorce i metody pomiarowe (wzorcowanie przyrządów)

>> efektem jest charakterystyka statyczna (model matematyczny, tabela, wykres) oraz określenie jej niepewności

>> pomiary wykonywane są w stanach ustalonych, tzn. przy stałej wartości wielkości mierzonej wejściowej i po zamknięciu stanów przejściowych spowodowanych jej zmianą

- Podstawowe parametry charakterystyk statycznych

>> zakres - przedział między najmniejszą i największą dopuszczalną wartością wielkości mierzonej

>> liniowość (błąd nieliniowości to maksymalne odchylenie rzeczywistej charakterystyki od modelu liniowego w zakresie pomiarowym)

Rys. Definicja nieliniowośći

>> powtarzalność - oszacowanie błędu przypadkowego

>> offset (wartość wyjścia przyrządu przy zerowym pobudzeniu) i jego dryft

>> histereza (błąd histerezy)

>> różnica między rzeczywistym statycznym przetwarzaniem miernika a założonym opisem matematycznym to błąd statyczny

Rys. charakterystyka statyczna z pętlą histerezy

+ Charakterystyki dynamiczne

- przetwarzanie dynamiczne charakteryzuje się zależnością wyniku przetwarzania (wynik pomiaru) nie tylko od aktualnego stanu wejścia (wielkość mierzona), ale również od stanów wejścia w przeszłości

- właściwości dynamiczne przyrządów liniowych opisywane są za pomocą:

>> odpowiedzi impulsowej (zmiana wyjścia w czasie po podaniu na wejście impulsu o jednostkowej amplitudzie w chwili t=0)

>> odpowiedzi na skok jednostkowy (zamiana wyjścia w czasie po skokowej zmianie wejście o jednostkowej amplitudzie w chwili t=0)

>> stałej czasowej r (dla przyrządów pierwszego rzędu pobudzonych skokiem jednostkowym)

>> częstotliwości granicznej, powyżej której przyrząd nie zachowuje swoich właściwości

>> modelu matematycznego przetwarzania w postaci równania różniczkowego (lub całkowego) - rząd urządzenia (stopnia przetwarzania) odpowiada rzędowi równania

- Błędy dynamiczne to błędy wynikające z różnicy pomiędzy rzeczywistym przetwarzaniem przyrządu o właściwościach dynamicznych a zastosowanym sposobem wyznaczania wyniku pomiaru

+ Oddziaływanie przyrządu na wielkość mierzoną:

- podczas pomiaru przyrząd pobiera i zużywa energię

- pobieranie energii przez przyrząd może spowodować zmianę stanu (wartości) mierzonej wielkości

- sposoby oddziaływania przyrządu z doprowadzoną wielkością mierzoną:

>> energia jest pobierana z oddzielnego źródła (wielkość mierzona nie wydatkuje energii)

>> przyrząd pobiera energię rozpraszaną przez źródło charakteryzowane przez mierzoną wielkość (stan źródła nie jest zakłócony)

>> przyrząd pobiera energię wielkości mierzonej

Rys. oddziaływanie przyrządu na wielkość mierzoną: pomiar napięcia na wyjściu zasilacza

Przykład:

ANALAGOWE PRZYRZĄDY POMIAROWE

+ Mierniki analogowe

- Mierniki analogowe to takie mierniki, których wskazania są funkcją ciągłą wartości wielkości mierzonej

>> w miernikach o działaniu bezpośrednim energia potrzebna do odchylenia elementu ruchomego czerpana jest bezpośrednio z badanego obiektu (zjawiska)

>> w miernikach o działaniu pośrednim wielkość mierzona steruje wielkością pomocniczą dostarczającą energię potrzebną do wychylenia elementu ruchomego

- Podstawowe rodzaje mierników analogowych

>> magnetoelektryczne

>> elektromagnetyczne

>> elektrodynamiczne

>> ferrodynamiczne

>> elektrostatyczne

Rys. Schemat ustroju konstrukcji miernika magnetoelektrycznego z ruchomą cewką

+ Pytania kontrolne

- na czym polegają pomiary wielkości nieelektrycznych

- na czym polega systemowy opis przyrządów pomiarowych

- na czym polega blokowy opis działania przyrządów

- czym różnią się przyrządy o przetwarzaniu statycznym i dynamicznym i jak się je charakteryzuje

- czym charakteryzują się analogowe mierniki elektroniczne

---