1. UKŁAD WIELKOŚCI. UKŁAD JEDNOSTEK MIAR SI…

Uporządkowany zbiór wielkości mierzalnych występujących we wszystkich dziedzinach wiedzy nazywa się układem wielkości

Zbiór jednostek miar wielkości mierzalnych nosi nazwę układu jednostek miar. Obecnie obowiązuje międzynarodowy układ jednostek, tzw. Układ SI. Obejmuje on wszystkie dziedziny nauki i techniki. Podstawowymi jednostkami układu SI są: jednostka długości - metr; jednostka masy - kilogram; jednostka czasu - sekunda; jednostka natężenia prądu - amper; jednostka temperatury termodynamicznej - kelwin; jednostka światłości - kandela; jednostka liczności materii - mol. Uzupełniającymi jednostkami są: jednostka kąta płaskiego - radian; jednostka kąta bryłowego - steradian

Wzorce są to narzędzia pomiarowe odtwarzające jednostki masy lub ich wielokrotności.

Od wzorców wymaga się: 1)niezmienności w czasie; 2)łatwej porównywalności; 3) łatwości odtwarzania; 4) łatwości stosowania; 5)dużej dokładności.

Parametrami wzorca są: 1)nominalna miara wzorca; 2)niedokładnośc miary wzorca; 3)okres zachowania niedokładności miary wzorca; 4)warunki, w których miara dokładnośc są zachowane.

Wzorce mogą być elementami aktywnymi (źródła wielkości) albo pasywnymi zasilanymi energią z pomocniczego źródła.

Wzorcami odpowiadającymi podstawowym jednostkom układu SI są: 1)atomowy wzorzec czasu; 2)naturalny wzorzec temperatury; sztuczne wzorce: masy, światłości, natężenia prądu (waga prądowa); 3)wzorce pośrednie, np. wzorzec natężenia prądu można odtworzyc za pomocą sztucznych wzorców napięcia i rezystancji. Istnieje także duża liczba wzorców jednostek wielkości podobnych. Są one wykonywane najczęściej jako wzorce sztuczne. Dąży się przy tym do takiej ich konstrukcji, aby ich nominalne miary można było ściśle wyznaczyc z pomiarów i właściwości materiałowych. Wzorce takie nazywa się liczalnymi lub obliczeniowymi. Do tej grupy wzorców należą np. wzorce pojemności.

Ze względu na dokładnośc względu na dokładnośc wzorca, wynikającą m.in. ze sposobu ustalania wartości nominalnej jego miary, tworzy się pewną „piramidę” kierarchiczną wzorców. Na samym szczycie tej piramidy znajdują się wzorce pierwotne o randze wzorca państwowego, wzorce I rzędu i wzorce II rzędu.

POMIAR Poznanie ilościowe obiektu fizycznego jest możliwe tylko dzięki procesowi poznawczemu, który umożliwia obiektywne odwzorowanie właściwości fizycznych obiektów w dziedzinie liczb. Proces taki nazywa się pomiarem. Natomiast właściwość zjawiska lub ciała, którą można wyznaczyć jakościowo i ilościowo nosi nazwę wielkości fizycznej lub mierzalnej. Z punktu widzenia operacyjnego pomiar jest to ciąg czynności, które wykonuje się w celu wyznaczenia wartości wielkości fizycznej danego obiektu.

Każdej z tych czynności można przyporządkować ścisłe operacje matematyczne. Pomiarem obejmuje się szereg wielkości fizycznych charakteryzujących dany obiekt fizyczny. Pamiętać przy tym należy, że ścisły opis rzeczywistego obiektu fizycznego nie zawsze jest możliwy (ze względu na jego złożoność i wrażliwość na wpływy otoczenia) i uzasadniony. Dlatego proces pomiarowy powinien zawierać następujące czynności:

- wytypowanie właściwości obiektu, które należy zbadać - odpowiada to ustaleniu modelu fizycznego danego obiektu;

- zbudowanie modelu matematycznego obiektu, tzn. ujęcie tych właściwości obiektu za pomocą formuł matematycznych;

- ustalenie modelu metrologicznego obiektu, polegającego na takiej transformacji modelu matematyczno-fizycznego, aby opisywały go tylko wielkości mierzalne;

- wybór metody pomiaru i środków technicznych do jego przeprowadzenia;

- dokonanie operacji porównania;

Opracowanie i interpretację rezultatu pomiarów.

Przyrządy pomiarowe są to narzędzia pomiarowe, służące do wykonywania pomiarów.

Przebieg procesu pomiarowego z zastosowaniem przyrządu pomiarowego jako układu porównania przedstawiono na schemacie. W większości przypadków wzorzec nie bierze udziału w procesie pomiarowym, a służy jedynie do wzorcowania przyrządów pomiarowych - przekazywania miary wielkości przyrządom.

Ze względu na sposób przekazywania informacji obserwatorowi można podzielić przyrządy pomiarowe na analogowe i cyfrowe. W pierwszych odczyt odbywa się na podstawie położenia wskaźnika względem opisanej w liczbach podziałki. W drugim wynik jest uwidoczniony w liczbach układu dziesiętnego.

Przetwornik pomiarowy

Bezpośredni pomiar wartości mierzonej X za pomocą przyrządu pomiarowego nie zawsze jest możliwy i celowy. Istnieje natomiast możliwość jej przekształcenia w łatwiej mierzalną wielkość Y. Zamiana wielkości X na wielkość Y przy zachowaniu informacji o wielkości X nosi nazwę przetwarzania. Nowa wielkość Y nazywa się sygnałem pomiarowym. Urządzenie, za pomocą którego dokonuje się operacji zmiany wielkości X na Y nazywa się przetwornikiem pomiarowym.

Czujnik (przetwornik pierwotny) jest odpowiedzialny za pobieranie informacji pomiarowej z badanego obiektu i przetworzenie jej do postaci najlepiej nadającej się do dalszego przetwarzania. W czujniku może dokonywać się np. przetwarzanie wielkości nieelektrycznej w parametr obwodu elektrycznego lub sygnał prądowy (albo napięciowy).

Charakterystyka przetwarzania i czułość przyrządu pomiarowego.

Równanie przetwarzania - opisuje związki funkcjonalne miedzy wielkością wyjściową Y i wejściową X

f₁(Y) = f₂(X)

Równanie powyższe ustala się na podstawie struktury przyrządu lub przetwornika pomiarowego i zasady działania poszczególnych bloków. Ustrój pomiarowy natomiast zawiera następujące bloki: przetwornik dopasowujący, układ porównania (komparator), układ odniesienia , przetwornik wyniku porównania i urządzenie wskazujące. Przetwornik dopasowujący to swojego rodzaju silnik przekształcający energię elektryczną w mechaniczną; następstwem tej przemiany jest moment napędowy. Pod wpływem momentu następuje obrót części ruchomej ustroju, nazywanej organem ruchomym, który pełni także rolę układu porównania. Organ ruchomy jest powiązany z częścią nieruchomą w przyrządach mniej czułych za pomocą łożysk, a w przyrządach bardziej czułych za pomocą taśm z naciągiem. Moment napędowy w ogólnym przypadku jest funkcją wielkości mierzonej i położenia organu ruchomego względem części nieruchomej, określonego kątem odchylenia (α)

M = f(X, α)

Źródłem wielkości odniesienia są sprężyny spiralne lub taśmy zawieszeniowe; wytwarzają one tzw. Moment zwracający, w przybliżeniu proporcjonalny do kąta odchylenia organu ruchomego

M_z = k *α

Współczynnik k w powyższym wzorze nosi nazwę stałej zwracania. Niekiedy moment zwracający wywołują siły elektrodynamiczne lub siły ciężkości.

Odchylenie ustalone organu ruchomego otrzymuje się przy spełnionym warunku

M = M_z

F(X, α) = k* α

Ostatnia zależność jest właśnie równaniem przetwarzania przyrządu pomiarowego elektromechanicznego. Rozwiązanie tego równania względem α (lub ogólnie względem X) pozwala określić charakterystykę przetwarzania

α = F(X)

lub ogólnie dla dowolnego przyrządu lub przetwornika

Y=F(X)

W analogowym przyrządzie pomiarowym położenie organu, zależne od wartości wielkości mierzonej, jest indykowane za pomocą wskazówki (materialnej lub świetlnej), przesuwającej się względem wywzorcowanej podziałki. Poszczególne jej działki nanosi się metodą wzorcowania. Charakter przebiegu podziałki jest opisany charakterystyką przetwarzania, która może być liniowa lub nieliniowa.

Przykład charakterystyki przetwarzania 1 - liniowej, 2 - nieliniowej.

Ważnym zagadnieniem jest jednoznaczność charakterystyki przetwarzania. Na podstawie charakterystyki przetwarzania definiuje się czułość narzędzia pomiarowego jako swojego rodzaju „przełożenie metrologiczne”

W przyrządzie lub w przetworniku pomiarowym o liniowej charakterystyce przetwarzania, przechodzącej przez początek układu współrzędnych, czułość

Oprócz czułości określa się jej odwrotność, nazywaną stałą przyrządu

Metody pomiarowe

1.Metody analogowe i cyfrowe:W metodach analogowych mierzonej wielkości analogowej (ciągłej) odpowiada sygnał pomiarowy ciągły. Natomiast w metodach cyfrowych ciągłe przedziały wartości wielkości mierzonej są odwzorowane przez dyskretne wartości sygnału pomiarowego.

2.Metody bezpośrednie:Do pomiarów bezpośrednich zalicza się takie pomiary, w wyniku których wartości wielkości mierzonej otrzymuje się bezpośrednio, bez potrzeby wykonywania dodatkowych obliczeń opartych na zależności funkcjonalnej wielkości mierzonej od innych wielkości.

3.Metody pośrednie: Pomiarami pośrednimi nazywa się takie pomiary, w wyniku których wartość mierzonej wielkości otrzymuje się pośrednio z pomiarów bezpośrednich innej wielkości związanych z zależnością funkcjonalną z wielkością mierzoną.

4.Pomiary złożone: Takimi pomiarami nazywa się pomiary polegające na bezpośrednim lub pośrednim wyznaczeniu wartości pewnej liczby wielkości związanych ze sobą układem równań algebraicznych. Wyznaczenie wartości wielkości mierzonej wymaga rozwiązania tego układu.

5.Metody pomiarowe porównawcze:Metody te bazują na porównaniu wartości wielkości mierzonej ze znaną wartością tej samej wielkości (wielkość wzorcowa). Wśród metod porównawczych wyróżnia się metody: odchyłowi, różnicowa, zerowa, podstawieniowa i przedstawieniowa.

*.Metoda odchyłowi polega na przyporządkowaniu wielkości mierzonej (w jej aktualnym stanie) miejsca w uporządkowanym zbiorze wartości danej wielkości.

*.Metoda róznicowa polega na odjęciu od wielkości mierzonej X znanej wartości X_w i pomiarze metodą odchyłowi różnicy X-X_w .

*.Metoda zerowa jest to metoda pomiarowa, w której różnice wartości dwóch wielkości - mierzonej X i znanej X_w doprowadza się do zera.

*W metodzie podstawieniowej następuje porównanie wielkości mierzonej X z wielkością wzorcowa X_w , ale nie jest to porównanie bezpośrednie i równoczesne. Metoda ta polega na zastąpieniu - w trakcie procesu pomiarowego - wielkości mierzonej wielkością wzorcową dobraną w taki sposób, aby skutki wywołane przez nią były takie same.

*.Metoda przedstawieniowa jest odmiana podstawieniowej i polega na zrównoważeniu wartości X wielkości mierzonej najpierw znaną wartością X_w1 wielkości wzorcowej, a następnie na przestawieniu wielkości mierzonej w miejsce X_w1 i ponownym zrównoważeniu jej znaną wartością X_w2.

6.Metoda przekształcenia:Polega na formowaniu sygnału pomiarowego. W technice pomiarowej rozróżnia się dwie metody przetwarzania - metodę przekształcenia i metodę bezpośredniego porównania.

*Metoda przekształceniowa polega na uformowaniu sygnału Y przez zmianę skali wielkości mierzonej X lub zmianę rodzaju energii przenoszącej wielkości X, albo też na drodze sterowania wielkością X procesami energetycznymi przenoszącymi sygnały Y.

*Metodą bezpośredniego porównania (przetwarzania) polega na uformowaniu sygnału Y przez porówanie wielkości mierzonej X z wielkością wzorcową X_w. Sygnał Y przenosi informacje o wartości wielkości wzorcowej X_w , odpowiadającej stanowi równowagi, a więc i o wartości wielkości mierzonej.

Woltomierz cyfrowy

Woltomierze cyfrowe są przeznaczone do pomiaru napięcia stałego lub zmiennego.
Schemat blokowy woltomierza napięcia stałego. Składa się on z bloków układu wejściowego, przetwornika A/C, dekodera, wskaźnika cyfrowego oraz układu sterującego.

Zadaniem układu wejściowego jest wzmocnienie zbyt słabych sygnałów lub stłumienie zbyt silnych. Przetwornik A/C służy do zamiany napięcia o postaci ciągłej na sygnał cyfrowy. Sygnał ten jest przetwarzany do postaci zrozumiałej dla wyświetlacza cyfrowego. Z pojęciem sygnału cyfrowego wiąże się pojęcie kodu, za pomocą którego sygnał analogowy jest zapisany cyfrowo. Na ogół kod sygnału na wyjściu przetwornika A/C jest inny niż kod, który jest zrozumiały przez wyświetlacz cyfrowy. Dekoder jest urządzeniem zmieniającym rodzaj kodu, w którym jest zapisywany sygnał analogowy. Całością pracy urządzenia steruje układ sterujący. Za pomocą tego układu zmienia się zakres pomiarowy woltomierza (przez wybór odpowiedniego tłumienia lub wzmocnienia w układzie wejściowym). Układ steruje także pracą przetwornika A/C zmieniając jego rozdzielczość oraz czas przetwarzania, itd.

Podstawowym blokiem woltomierza jest przetwornik A/C. Obecnie wykorzystuje się przetworniki wielokrotnego całkowania i przetworniki kompensacyjne. Woltomierze cyfrowe osiągają większe dokładności niż woltomierze analogowe. Jednak dokładność tych mierników jest nadal ograniczona przede wszystkim przez część analogową przyrządu.

Amperomierz cyfrowy

Amperomierze cyfrowe wykonuje się na ogół w oparciu o woltomierze cyfrowe mierząc napięcie na wzorcowym rezystorze o niewielkiej wartości (np. 1ၗ), przez który płynie mierzony prąd. Rezystor wzorcowy jest oczywiścię integralną częścią przyrządu.

Zgodnie z prawem Ohma napięcie na rezystorze jest wprost proporcjonalne do przepływającego przez niego prądu. Dokładność amperomierzy cyfrowych jest nieco gorsza (rząd lub dwa rzędy) od dokładności woltomierzy cyfrowych, ponieważ zgodnie z prawem przenoszenia błędów dokładność pomiaru prądu jest sumą dokładności woltomierza cyfrowego i dokładności użytego rezystora wzorcowego.

OOmomierz cyfrowy

Omomierze cyfrowe wykonuje w różny sposób. Najpopularniejsze metody polegają na przetwarzaniu rezystancji w napięcie lub w przedział czasu. Na rys. 14 przedstawiono to pierwsze rozwiązanie.

Omomierz cyfrowy składa się z woltomierza cyfrowego oraz wzorcowego źródła prądowego o stałej i znanej wydajności. Prąd z tego źródła płynie przez rezystor o rezystancji mierzonej. Podobnie jak w przypadku amperomierza cyfrowego wykorzystywane jest prawo Ohma. Omomierze cyfrowe są znacznie dokładniejsze od analogowych i osiągają dokładność rzędu części procenta i lepiej. Wadą tych mierników jest to, że rezystancja mierzona musi być znacznie mniejsza od rezystancji wewnętrznej woltomierza. W innym wypadku zależność wskazań przyrządu od rezystancji mierzonej przestaje być liniowa, ponieważ rzeczywisty woltomierz ma skończoną rezystancję, która jest równolegle połączona z rezystancją badanego rezystora.

Multimetr cyfrowy

Multimetry cyfrowe mierzą na ogół znacznie więcej wielkości niż multimetry analogowe. Ich budowa oparta jest o woltomierz cyfrowy. Ich idea polega na tym, że każdą z mierzonych wielkości przetwarza się w napięcie stałe, a to napięcie mierzy się woltomierzem cyfrowym.

Amperomierz analogowy

Przyrząd taki jest najczęściej wykonywany w oparciu o ustrój magnetoelektryczny (ME). Ustrój taki jest typowym ustrojem amperomierzowym, ponieważ kąt wychylenia organu ruchomego zależy od natężenia prądu płynącego przez uzwojenie ustroju a nie od napięcia. Zależność ta jest liniowa. Mierniki ME charakteryzują się dużą czułością i już prądy rzędu ၭA czy mA powodują znaczne wychylenie organu ruchomego, do którego mocowana jest wskazówka miernika.

Amperomierze o zakresie pomiarowym od 1ၭ၁ do 25mA a nawet do 0,5A wykonywane są jako amperomierze bezpośrednie, tzn., że przez ustrój miernika płynie cały prąd mierzony (rys. 5a). Aby móc zwiększyć zakres natężenia prądu, który można by mierzyć za pomocą takiego ustroju bocznikuje go rezystorami o wartościach mniejszych od rezystancji ustroju. Sposób rozszerzania zakresu amperomierza przedstawia rys.5b.

Wartość tego rezystora powinna spełniać następującą nierówność

Stosując odpowiednio prawa Kirchhoffa można wyprowadzić wzór na wartość rezystancji bocznika R_b w zależności od prądu nominalnego, na jaki chcemy zaprojektować amperomierz.

Rezystancja wewnętrzna amperomierza z bocznikiem jest równa

Rezystancja ta musi być jak najmniejsza, aby spadek prądu wywołany włączeniem amperomierza do obwodu pomiarowego był nie większy niż błąd podstawowy (graniczny) amperomierza. 5. 2. Woltomierz analogowy

Woltomierze analogowe są obecnie wykonywane najczęściej w oparciu o ustrój ME. Mierniki takie służą do pomiaru napięcia stałego, a jeśli są wyposażone w odpowiedni przetwornik AC/DC to można je wykorzystywać także do pomiarów napięć zmiennych. Woltomierz ME powstaje, jeśli szeregowo do ustroju włączy się rezystor R_p zwany posobnikiem. Zadaniem takiego rezystora jest zapewnienie dużej rezystancji wewnętrznej woltomierza. Użycie rezystora o dużej wartości ogranicza wartość natężenia prądu płynącego przez ustrój ME. Maleje drastycznie czułość przyrządu, ponieważ ustrój magnetoelektryczny do swojego działania potrzebuje przepływu prądu. Niezależnie od zakresu pomiarowego woltomierza, aby wskazówka takiego miernika mogła wychylać się o ten sam kąt przez ustrój ME musi płynąć ten sam prąd. Zgodnie z prawem Ohma, aby zapewnić ten warunek zmiana zakresu pomiarowego wymusza zmianę wartości rezystancji posobnika. Im zakres woltomierza jest mniejszy, tym rezystancja R_p jest mniejsza. Maleje także rezystancja wewnętrzna. Rezystancja wewnętrzna typowych woltomierzy analogowych waha się w przedziale od kilkudziesięciu omów do kilkudziesięciu kiloomów. Jest to podstawowa wada przyrządów o takiej konstrukcji. Bardzo często dla woltomierzy analogowych podawana jest tzw. jednostkowa rezystancja wewnętrzna określająca wartość rezystancji wewnętrznej przypadającej na 1 wolt zakresu pomiarowego. Przeciwdziałanie polega na tym, że cewkę woltomierza nawija się cieńszym drutem i ma ona więcej zwojów niż amperomierze ME. Zwiększa to czułość przyrządu. Innym sposobem jest zastosowanie na wejściu woltomierza wzmacniacza o dużej rezystancji wejściowej. W ten sposób wykonuje się woltomierze elektroniczne.

Omomierz analogowy

Omomierze analogowe wykonuje się w oparciu o ustrój ME. Służą one do pomiaru rezystancji liniowej lub do sprawdzania ciągłości obwodu (wykrywanie stanu zwarcia lub rozwarcia). Idea pracy omomierza polega na tym, że do obwodu pomiarowego włącza się badany element. Obwód zasilany jest napięciem stałym - na ogół z bateryjki. Doprowadzone napięcie wymusza przepływ prądu elektrycznego, którego natężenie jest mierzone za pomocą amperomierza magnetoelektrycznego. Przyrządy tego typu nie są zbyt dokładne a osiąga się nimi dokładności pomiaru rzędu kilku do kilkunastu procent - w zależności od klasy. Wadą tego typu przyrządów jest także to, że w trakcie pomiaru zmianie może ulegać napięcie baterii spowodowane pobieraniem z niej prądu i wzrostem rezystancji wewnętrznej baterii R₀. Podziałka miernika jest silnie nieliniowa. Omomierz szeregowy

Schemat omomierza szeregowego przedstawia rys. 7. Układ składa się ze źródła napięcia stałego o sile elektromotorycznej E i rezystancji R₀, rezystora R_S i ustroju magnetoelektrycznego. Badany element włączany jest szeregowo do pozostałych elementów.

Wartość prądu płynącego przez ustrój ME jest równa

(22)

Największy możliwy prąd w układzie jest uzyskiwany wtedy, gdy rezystor R_x stanowi zwarcie.

Wynika z tego, że podziałka ma nietypowy przebieg - od prawej do lewej i jest silnie nieliniowa..

gdzie: R_we - wartość rezystancji wewnętrznej omomierza;

R_m - wartość rezystancji mierzonej (wartość, którą wskazał miernik).

Dokładność pomiaru dla omomierza szeregowego jest określona następująco:

Silna nieliniowość podziałki powoduje, że klasę dokładności tego miernika określa się inaczej niż standardowo. Błąd graniczny oraz dokładność pomiaru rezystancji omomierzem szeregowym opisują zależności (27) i (28). Analizując te wzory dochodzimy do wniosku, że pomiar tym miernikiem, jest tym dokładniejszy, im wskazówka znajduje się bliżej środka podziałki.

Z drugiej jednak strony, jeśli przyrząd jest zasilany z bateryjki, to im rezystancja mierzona jest mniejsza, tym większy prąd pobieramy, a to powoduje zwiększenie rezystancji wewnętrznej baterii, a co za tym idzie maleć będzie SEM baterii. Wynika z tego, że omomierzem szeregowym powinno się mierzyć rezystancje duże - powyżej połowy wychylenia. Jednocześnie przed każdym pomiarem powinno się zwierać zaciski omomierza i korektorem położenia ustawiać położenie wskazówki na „zero”. Przy dużych wartościach R_x mniejsza jest też wrażliwość omomierza na zmiany warunków otoczenia.

Omomierz równoległy

Schemat omomierza równoległego przedstawia rys. 9. Układ pomiarowy składa się z szeregowo połączonych źródła napięcia stałego o rezystancji wewnętrznej R₀ i sile elektromotorycznej (SEM) równej E, rezystora dodatkowego R_S i ustroju ME. Element badany o rezystancji R_X włączany jest równolegle do ustroju miernika.

Taka konfiguracja układu powoduje, że przez ustrój ME płynie prąd o wartości

Gdy rezystor R_X stanowi rozwarcie dla obwodu, wartość tego prądu jest największa i wynosi

Dzieląc równania (29) i (30) stronami otrzymamy następujący wzór

(31)

gdzie:

Uwzględniając, że wychylenie organu ruchomego w ustroju ME jest liniową funkcją prądu, to wyrażenie na równanie charakterystyki przetwarzania omomierza równoległego ma postać

Współczynnik C ma wymiar rezystancji i czasami jest nazywany rezystancją środka skali.

Podobnie jak w omomierzu szeregowym podziałka jest silnie nieliniowa jednak bliższa analiza wyrażenia (36) wskazuje na to, że jest to podziałka prosta, która biegnie od lewej do prawej strony. Przykład takiej podziałki przedstawia rys. 10.

Dla omomierza równoległego błąd graniczny jest wyrażany następująco:

gdzie: C - stała charakterystyczna dla danej konstrukcji omomierza (w przybliżeniu C = R_we dla środka podziałki)

Dokładność pomiaru dla omomierza równoległego jest określona następująco:

Z wyrażeń powyższych wynika, że dokładność pomiaru omomierzem jest silnie zależna od wartości mierzonej, a wartość klasy przyrządu umieszczana na podzielni miernika nie ma bezpośredniego związku z dokładnością pomiaru. Dokładniejsza analiza powyższych wzorów pozwala na wyciągnięcie następujących spostrzeżeń:

- pomiar omomierzem szeregowym jest najdokładniejszy przy R_m = R_we;

- pomiar omomierzem równoległym jest najdokładniejszy R_m = C, wtedy ၤ^%R = 4 kl.d.

- zakres pomiarowy omomierza należy tak dobierać, aby 0,4R_we Ⴃ R_m Ⴃ 2,5R_we, wtedy
ၤ^%R = 5 kl.d.

W związku z powyższym można stwierdzić, że omomierze analogowe są przyrządami mało dokładnymi, a ich zakres zastosowań jest ograniczony do pomiaru dużych rezystancji w przypadku omomierza szeregowego i małych rezystancji w przypadku omomierzy równoległych.

Multimetr analogowy

Typowy multimetr analogowy zbudowany jest tak, jak na rys. Składa się on z amperomierza ME, zestawu posobników, zestawu rezystorów R_S i przełącznika funkcyjnego. Przełącznik funkcyjny pozwala na wybranie funkcji pomiarowej w multimetrze - omomierz (R), amperomierz (I), woltomierz (U). Podstawową funkcją pomiarową jest pomiar prądu przez amperomierz ME. Każda inna funkcja pomiarowa jest realizowana przez dodanie do obwodu amperomierza zestawu rezystorów dodatkowych (R_S lub posobników) a w przypadku omomierza dołączenie jeszcze źródła napięcia stałego.

Woltomierz o sterowaniu mikroprocesorowym

Układy wejściowe zawierają układy analogowe takie jak: dzielniki napięcia, wzmacniacze, filtry, przetworniki sygnałów zmiennoprądowych w stałoprądowe.

Mikroprocesor jest odpowiedzialny za procedurę pomiaru, sterowania wszystkich bloków, poza tym przeprowadza operacje arytmetyczne i logiczne na danych, które trafiają z przetwornika analogowo/cyfrowego - przez interfejs wejścia na szynę danych. Program mikroprocesora przygotowany przez producenta woltomierza jest przechowywany w pamięci stałej i nie podlega skasowaniu, przy wyłączeniu zasilania. Znajdujące sie w strukturze tego systemu mikroprocesorowego pamięci operacyjne służą do czasowego przechowywania danych i cząstkowych wyników obliczeń. Sprzężenie mikroprocesora z pozostałymi a dokładnie współpracę wszystkich bloków uzyskuje sie dzięki szyną danych, adresowych i sterowania. Woltomierze tego typu służa do pomiaru napięc stałych i zmiennych, są to przyrządy wielozakresowe z automatycznym wyborem zakresów. Przy pomiarach napięć zmiennych umożliwiają one indykacje wartości skutecznych maksymalnych i średnich, a także wybranych wartości chwilowych (jeśli w układzie wejściowym będzie zastosowany porzetwornik próbkująco-pamiętajacy).

Przeznaczenie i właściwości oscyloskopów

Oscyloskop jest przyrządem pomiarowym służącym do wizualnej obserwacji zależności funkcjonalnej między dwiema wielkościami wejściowymi - najczęściej jedną z nich jest czas.

Dzięki swoim właściwościom oscyloskop jest jednym z najbardziej uniwersalnych i rozpowszechnionych przyrządów pomiarowych - pozwala na pomiar prawie wszystkich parametrów sygnałów. Wejścia oscyloskopu są najczęściej sterowane napięciowo. Istnieje jednak szeroka gama różnych przetworników pomiarowych, które są w stanie przetwarzać niemal każdą wielkość fizyczną w napięcie.

1. Według przeznaczenia

• uniwersalne,

• specjalne,

• próbkujące,

• pamiętające,

• szybkie.

2. Według sposobu przetwarzania sygnału

• analogowe,

• analogowo-cyfrowe,

• cyfrowe.

3. Według częstotliwości

• m.cz. (B<10 MHz),

• w.cz. (B<500 MHz),

• b.w.cz. (B < 30 GHz).

4. Według ilości kanałów

• jednokanałowe,

• dwukanałowe,

• wielokanałowe.

Do podstawowych parametrów użytkowych oscyloskopów należą szerokość pasma przenoszenia B i czas narastania odpowiedzi impulsowej t_N w kanale Y, nierównomierność charakterystyki przenoszenia, zakres zmian współczynnika odchylania kanału Y, zakres zmian współczynnika czasu (podstawy czasu), impedancja wejściowa kanału X (Y, Z, wyzwalania zewnętrznego), liczba kanałów i sposób uzyskiwania zwielokrotnienia kanałów, wielkość pola odczytowego, rodzaj wskaźnika, dokładność skalowania dzielników wejściowych, dopuszczalne sposoby synchronizacji i wyzwalania generatora podstawy czasu.

Szerokość pasma przenoszenia B. Parametr ten związany jest z charakterystyką amplitudowo-częstotliwościową toru Y oscyloskopu. Kształt tej charakterystyki pokazano na rys. 1.

Charakterystyka ta pokazuje jak zmienia się czułość odchylania kanału Y w funkcji częstotliwości mierzonego sygnału. Szerokość pasma przenoszenia określa się jako różnicę między częstotliwością graniczną górną f_g i dolną f_d charakterystyki przenoszenia.

Typowo zamiast parametru B podaje się częstotliwość górną graniczną charakterystyki przenoszenia, ponieważ zwykle częstotliwość graniczna dolna jest bliska lub równa zero.

Budowa i zasada działania oscyloskopu jednokanałowego

Podstawowym elementem oscyloskopu analogowego jest lampa oscyloskopowa (rys. 2). W największym uproszczeniu lampa składa się z wyrzutni elektronów płytek odchylania pionowego i poziomego oraz ekranu pokrytego luminoforem. Zadaniem wyrzutni elektronów jest emisja elektronów, uformowanie ich ruchu w jeden strumień o określonych parametrach i nadanie im odpowiedniej prędkości. Strumień elektronów uderza w szklany ekran pokryty luminoforem. Luminofor to substancja chemiczna charakteryzująca się tym, że pod wpływem uderzających w nią elektronów zaczyna świecić. Czas świecenia się luminoforu po uderzeniu elektronu nazywany jest czasem poświaty. Jest to parametr charakteryzujący lampę oscyloskopową. Strumień elektronów jest odchylany od kierunku nadawanego mu przez wyrzutnię elektronów przez pole elektryczne wytwarzane przez płytki odchylania pionowego i poziomego. Kierunek i zwrot oraz wielkość tego odchylenia zależy od polaryzacji i wartości napięcia przyłożonego do odpowiedniej pary płytek odchylających.

Rys. 2. Uproszczony schemat lampy oscyloskopowej

Jeżeli strumień elektronów będzie odchylany w sposób płynny to na ekranie lampy pozostawi ślad, którego kształt będzie zależny od kształtu napięć przyłożonych do obydwu par płytek odchylających. Na rys. 3a,b pokazano przykład oscylogramów powstałych na skutek przyłożenia do jednej pary płytek napięcia stałego a do drugiej napięcia sinusoidalnego. Na ekranie powstaje odcinek o długości proporcjonalnej do wartości międzyszczytowej napięcia sinusoidalnego U_pp. Aby oscylogram zobrazowywał zależność napięcia przyłożonego do płytek pionowych, do płytek poziomych musi zostać przyłożone napięcie piłokształtne będące liniową funkcją czasu. Przykład taki przedstawia rys. 3c.

Jeżeli oscyloskop ma przyłożone do płytek odchylania poziomego napięcia liniowo narastające to mówimy, że pracuje z rozciągiem liniowym. Możliwa jest także praca oscyloskopu z innymi rozciągami. Źródłem napięcia piłokształtnego przykładanego do płytek odchylania poziomego oscyloskopu jest wewnętrzny generator nazywany generatorem podstawy czasu.

Oscyloskop jest urządzeniem elektronicznym o bardzo skomplikowanej budowie. Można ją jednak w najprostszym ujęciu sprowadzić do trzech bloków funkcjonalnych (rys. 4).

Zadaniem toru Y jest wysterowanie płytek Y (odchylania pionowego) oscyloskopu. Do wejścia toru Y doprowadzany jest sygnał badany. Po wzmocnieniu lub stłumieniu jest on doprowadzany do płytek Y lampy. Część tego sygnału jest także doprowadzana do wejścia toru wyzwalania, synchronizacji i generacji podstawy czasu.

Zadaniem toru X jest wysterowanie płytek (X) odchylania poziomego lampy oscyloskopowej. Do wejścia toru doprowadzane jest napięcie z wewnętrznego lub zewnętrznego generatora p.cz.

Rys. 4. Uproszczony schemat funkcjonalny
oscyloskopu

Aby obraz na ekranie nie zaniknął musi być stale odświeżany. Odświeżenie oscylogramu nastąpi jeżeli napięcie z generatora p.cz. będzie się cyklicznie pojawiało na płytkach odchylania poziomego lampy. To cykliczne odświeżanie obrazu na ekranie oscyloskopu jest zadaniem toru wyzwalania, synchronizacji i generacji p.cz.

Generator podstawy czasu może pracować w trybie samowzbudnym (automatycznym) lub w trybie wyzwalanym (obcowzbudnym, tzw. normalnym).

Praca automatyczna generatora polega na tym, że podstawa czasu jest generowana z częstotliwością własną generatora podstawy czasu. Oscylogram jest wtedy na ogół niestabilny, ponieważ warunkiem otrzymania stabilnego oscylogramu jest synchronizacja podstawy czasu z sygnałem mierzonym. W trybie automatycznym oscylogram będzie stabilny tylko wtedy, gdy częstotliwość sygnału mierzonego jest całkowitą wielokrotnością częstotliwości podstawy czasu.

Podstawowym rodzajem pracy generatora podstawy czasu jest praca normalna. Tryb ten polega na tym, że ta część napięcia z toru Y, która jest doprowadzana do toru wyzwalania, synchronizacji i generacji podstawy czasu jest porównywana z pewnym napięciem odniesienia, którego wartość nazywamy poziomem wyzwalania.

W momencie zrównania się napięcia z toru Y z poziomem wyzwalania wyzwalany jest jednokrotnie generator podstawy czasu. Po wygenerowaniu jednego impulsu piłokształtnego generator p.cz. czeka na kolejne wyzwolenie. W tym trybie oscylogram jest zawsze stabilny, jeśli poziom wyzwalania jest w granicachzmian wartości chwilowych napięcia w torze Y. Jeżeli nie to na ekranie nie pojawia się żaden oscylogram

Budowa i zasada działania oscyloskopu dwukanałowego

Najpopularniejszą metodą zwielokrotniania kanałów w oscyloskopie analogowym jest zastosowanie przełącznika elektronicznego. Budowę takiego oscyloskopu przedstawiono na rys. 6.

Rys. 6. Uproszczony schemat funkcjonalny
oscyloskopu dwukanałowego

Oscyloskop taki jest wyposażony w lampę jednostrumieniową podobnie jak oscyloskopy jednokanałowe. Przełącznik elektroniczny służy do na przemiennego doprowadzania sygnału z kanału 1 i 2 do płytek odchylania pionowego. Możliwe są dwa tryby pracy przełącznika elektronicznego - praca siekana (czoperowana - Chop) i praca alternatywana (Alt). W trybie alternatywnym stan przełącznika jest zmieniany, co okres podstawy czasu, tzn. w trakcie jednego okresu podstawy czasu kreślony jest np. sygnał z kanału 1. Natomiast, w trakcie kolejnego okresu p.cz. kreślony jest sygnał z kanału 2. W trybie siekanym przełączanie następuje z częstotliwością własną przełącznika. Wynosi ona zwykle 100 kHz lub więcej. W trybie siekanym, obydwa sygnały są więc przełączane z częstotliwością znacznie przewyższającą częstotliwość p.cz. W tym trybie w trakcie jednego okresu p.cz. każdy z sygnałów doprowadzany do płytek Y lampy oscyloskopowej, składa się krótkich odcinków poprzedzielanych

krótkimi przerwami tak, że jeśli w jednym sygnale jest rozświetlony odcinek to w drugim jest przerwa i

na odwrót. W kolejnym okresie p.cz. odcinki te są nieco poprzesuwane względem odcinków wcześniej wykreślonych. Dzięki bezwładności oka ludzkiego i czasowi poświaty otrzymywany jest ciągły obraz każdego z sygnałów. Tryb siekany jest używany do obserwacji sygnałów przy wolnej podstawie czasu a tryb alternatywny przy szybkiej. Zastosowanie trybu alternatywnego przy wolnej podstawie czasu powoduje, że strumień elektronów nie nadąża odświeżać obrazu w kolejnych okresach podstawy czasu i następuje migotanie obrazu. Zastosowanie trybu siekanego do obserwacji przebiegów szybkich może w skrajnych sytuacjach doprowadzić do zsynchronizowania przełącznika z generatorem p.cz., co objawi się powstaniem w obrazie stałych przerw - w kolejnych okresach p.cz. zmiany stanu przełącznika elektronicznego nastąpią w tych samych momentach czasowych. Wygaszenia fragmentów oscylogramu oznaczają utratę informacji w 50%.

OSCYLOSKOP CYFROWY

Oscyloskop cyfrowy może pracować w dwóch reżimach. Jeżeli przełącznik P1 i P2 znajdują się w pozycji l, to układ pracuje jako konwencjonalny oscyloskop z pamięcią. Badany sygnał jest wówczas podawany przez układ wejściowy na wejście informacyjne przetwornika analogowo-cyfrowego (A/C). Proces przetwarzania (próbkowania) rozpoczyna się na sygnał „start”, który jest generowany przez układ sterujący i podawany na wejście sterujące przetwornika/C. Otrzymany na wyjściu przetwornika A/C sygnał cyfrowy jest przekazywany do odpowiedniej komórki bloku pamięci. Informacje zawarte w pamięci mogą być przechowywane dowolnie długo. Przy odtwarzaniu zapisanej informacji, komenda z układu sterującego powoduje wybranie i przekazanie ich da wejście cyfrowe na impulsy o amplitudach proporcjonalnych do zakodowanych w pamięci liczb. Aby otrzymać obraz ciągły, między przetwornik C/A i wzmacniacz jest włączony układ wygładzania - tzw. Generator wektorowy. Na odpowiedni sygnał z układu sterującego mikroprocesor - wchodzący w układ oscyloskopu - dokonuje analizy matematycznej zarejestrowanego w pamięci przebiegu. Oprócz samoczynnego dokonywania analizy matematycznej obrazu, oscyloskopy cyfrowe mają wiele innych zalet w stosunku do analogowych oscyloskopów z pamięcią. Są to przede wszystkim: nieograniczony czas przechowywania informacji oraz szeroki zakres zmian szybkości odtwarzania, a szczególnie możliwości spowalniania procesu odtwarzania poszczególnych fragmentów zapamiętanego przebiegu.

---