sciaga_staw_nieelektryczne.doc

1. Def. pomiaru, ich podział i obszar zastosowań.

Pomiar jest procesem poznawczym, prowadzącym do przyporządkowana danej wielkości fizycznej liczby równej stosunkowi wielkości w danym stanie, do umownie wybranej jednostki tej wielkości.

Pomiar jako doświadczenie polega na porównaniu wielkości mierzonej, wielkości fizycznej z pewną jej wartością przyjętą za jednostkę.

-porównanie jest bezpośrednie, jeżeli wielkość mierzona X i wielkość wzorcowa X0, mają ten sam charakter fizyczny.

-porównanie jest pośrednie, jeżeli wielkość mierzona X i wielkość wzorcowa Y0, mają różny charakter fizyczny.

Przeprowadzenie porównania pośredniego wymaga uprzedniej zmiany wielkości mierzonej i wielkości wzorcowej w inne wielkości bezpośrednio porównywalne ze sobą.

Zmiana wielkości A na wielkość B zachowująca informacje o wartości wielkości A, nazywa się przetwarzaniem.

Pomiary wielkości nieelektrycznych są powszechnie stosowane we wszystkich gałęziach nauki i techniki. Jako główne wielkości nieelektryczne mierzone są:

-czas i częstotliwość;

-wymiary geometryczne: długość, odległość, grubość, wysokość, poziom, chropowatość, falistość, objętość, kąt, położenie w przestrzeni;

-siły i momenty bezwładności: obciążenia, ciężar, momenty gnące, m. Skręcające, naprężenia;

-ciśnienia;

-prędkość i przyspieszenie;

-moc, praca, energia;

-ciepło, przepływ energii;

-energia promienista;

-właściwości fizyko- chemiczne materii;

2. Sygnały pomiarowe, def., klasyfikacja, standardy.

Sygnał pomiarowy:

-nośnik sygnału (np. napięcie);

-parametr informacji (treść, czyli sygnał) (np. częstotliwość);

3 klasy sygnałów pomiarowych:

-analogowe;

-cyfrowe;

-przekaźnikowe;

Sygnały analogowe, dla których wielkość parametru Y i wartość wielkości sygnalizującej X związane są jednoznaczną funkcją ciągłą Y=f(X), zwaną funkcją przetworzeniową.

W klasie elektrycznych sygnałów analogowych spotyka się:

-sygnały stałoprądowe i stałonapięciowe, zwane sygnałami wartości wymiernych;

-sygnały amplitudowe;

-sygnały częstotliwościowe, czasowe i fazowe;

Sygnał pomiarowy charakteryzuje się za pomocą zakresu zmienności parametru informacji o wartościami parametru nośnika. Dla ułatwienia wyboru parametrów sygnału oraz w celu unifikacji tworzy się sygnały standardowe.

Sygnały cyfrowe przenoszą informację o wartości liczbowej wielkości sygnalizowanej. Liczby przenoszone oraz sygnał zwykle wyraża się w kodzie dwójkowym.

Sygnały przekaźnikowe są skrajną formą sygnałów pomiarowych. Sygnał ten może mieć 2 lub 3 stany.

3.  Błędy pomiarów i przetwarzania. 

Błąd bezwzględny to różnica między wartością zmierzoną, a rzeczywistą

Względny błąd pomiaru, to stosunek błędu bezwzględnego do wartości rzeczywistej wielkości mierzonej.

Błąd pomiaru liczony powyższymi wzorami jest nieokreślony, ponieważ wartość rzeczywista wielkości mierzonej postaci jest nieznana. Praktycznie miarę dokładności są graniczne błędu pomiaru określone jako najmniejszy przedział wokół wartości mierzonej X, wewnątrz którego znajduje się wartość rzeczywista Xr

Zwykle przyjmuje się

Bezwzględny błąd przetwarzania to różnica między wartością rzeczywistą sygnału, a wartością obliczoną według funkcji przetwarzania dla tej samej wartości wielkości przetworzonej

Względny błąd przetwarzania to stosunek błędu bezwzględnego do wartości obliczonej sygnału.

4. Metody pomiaru i przetwarzania

Przez metodę rozumie się porównanie wielkości mierzonej i wzorcowej.

Są dwie metody pomiaru:

-bezpośredniego porównania (kompensacyjna i podstawieniowa);

-metoda wychyłowa;

Metoda bezpośredniego pomiaru polega na porównywaniu wartości mierzonej wielkości mierzonej X z wartościami znanymi, czyli wielkością wzorcową.

Metoda podstawieniowa polega na doborze krotności znanej wielkości wzorcowej.

Metoda kompensacyja polega na zaniku prądu w kontrolowanej części układu na podstawie innych znanych warunków w układzie, zapewnia największą dokładność ze względu na stosowanie czułych przyrządów.

Metoda wychyłowa polega na przetworzeniu wielkości w przesunięcie a. Wartość wielkości mierzonej wyznacza się albo obliczając ją wg. funkcji przetwarzania z odczytanego wychylenia, albo odczytuje bezpośrednio z podziałki.

Uogólnieniem metody pomiaru jest metoda przetwarzania rozumiana jako sposób formowania sygnału pomiarowego. Wyróżniamy dwie metody przetwarzania:

-metoda przekształcenia;

-metoda bezpośredniego porównania;

Metoda przekształcenia polega na uformowaniu sygnału Y na drodze zmiany skali wielkości sygnalizującej X, zmiany rodzaju energii przenoszonej wielkości X, lub na drodze sterowania wielkością X procesów energetycznych przenoszących sygnał Y.

Wszystko to wykonywane jest bez udziału wielkości wzorcowych. Przykładem może być zmiana skali napięcia i prądu w przekładnikach oraz zmiana charakteru wielkości przetwarzanych w amperomierzu magnetoelektrycznym.

Metoda bezpośredniego porównania polega na uformowaniu na uformowaniu sygnały Y drogą porównania wielkości sygnałowej X z wielkością wzorcową. Sygnał Y przenosi informacje o wartości wielkości wzorcowej odpowiadającej równowadze

Pomiar i przetwarzanie metodą porównawczą różnią się między sobą tylko tym, że w procesie pomiaru wartości wielkości mierzonej podawana jest np. w postaci odchylenia wskazówki, a w procesie przetwarzania wielkości wartości wzorcowej jest przenoszone przez sygnał elektryczny.

5. Przetwornik pomiarowy, schemat struktury, podstawowe wartości pracy, def. systemu pomiarowego.

Przetwornik pomiarowy to urządzenie służące do zmiany wartości mierzonej na wartość innej wielkości lub inną wartość tej samej wielkości. Czynność realizowana przez przetwornik to przetwarzanie. Zachodzi ona według określonego prawa i z określoną dokładnością.

Nowoczesna technika opiera się na mierzeniu wielkości nieelektrycznych metodami elektrycznymi. Metody te polegają na wstępnym przetworzeniu wielkości nieelektrycznych na sygnał elektryczny i wykonaniu dalszych operacji pomiaru na sygnale elektrycznym.

y=f(x)

y=f(x,z1,z2,z3,z4)

Ilustracja powyższa przedstawia podstawowe warunki pracy dla przetworników pomiarowych/

Szczegółowy schemat struktury ukł. pomiarowego:

Metody elektryczne pomiaru i przetwarzania mają szereg zalet:

-możliwość pomiaru prawie wszystkich wielkości fizycznych;

-łatwość cyfrowego pomiaru wielkości elektrycznych;

-możliwość wykorzystania sygnałów elektrycznych do automatycznej regulacji procesów produkcyjnych;

-możliwość centralizacji i opracowania informacji z wykorzystaniem PC;

S

.Schemat blokowy układu pomiarowego z przetwornikiem i mikroprocesorem:

Uniwersalność, oraz możliwość centralizacji, leża u podstaw tworzenia systemów pomiarowych.

Systemy pomiarowe dzielimy następująco:

Stopień wejściowy systemów pomiarowych obejmuje narzędzia przetwarzające wielkości X w kilka pośredniczących sygnałów elektrycznych (stałonapięciowy u, stało prądowy i, amplitudowy, częstotliwościowy). Kolejnym etapem jest stopień formujący obejmujący narzędzia przetwarzające w jeden standardowy, najczęściej prąd stały.

Ostatni stopień systemu obejmuje narzędzia końcowe, a więc przyrządy pomiarowe, nadajniki telemetryczne, interfejsy do mikroprocesorów. Idea systemów pomiarowych jest wykorzystywana do budowy układów pomiarowych wieloparametrowych.

Systemy analogowe do pomiarów wieloparametrycznych:

Metody elektryczne pomiaru wielkości nieelektrycznych stosuje się powszechne w technice regulacji automatycznej. Zadaniem układu jest sterowane procesami zachodzącymi w obiekcie, tak aby pewna wielkość X (regulowana) charakteryzujące te procesy miała wartość X0, niezależną od zakłóceń. Wielkość X0 jest nastawiana z zewnątrz.

Układ regulacji składa się, poza obiektem z urządzenia pomiarowego, regulatora i urządzenia wykonawczego. Sygnały wejściowe większości stosowanych regulatorów mają charakter elektryczny podczas, gdy wielkości regulowane mają prawie zawsze charakter nieelektryczny. Układ sterowania może by układem otwartym (sterowanie ręczne) lub układem automatycznym.

6. Narzędzia pomiarowe i ich opis.

Narzędzia pomiarowe – dzieli się zwykle na trzy grupy:

- przyrządy pomiarowe

- przetworniki pomiarowe

- wzorce

Przyrządy pomiarowe - poddane działaniu wielkości mierzonej, formuje na swoim wyjściu wskazanie, które jest wartością wielkości mierzonej. Różnią się przyrządy pomiarowe analogowe i cyfrowe.

Przetworniki pomiarowe- przetwarzają jedną wielkość na inną.

Przetwornik pomiarowy jest „czarną skrzynką” z wejściem poddanym działaniu sygnału wejściowego X i wyjściem formującym sygnał Y. W zależności od postaci sygnału wyjściowego rozważa się przetworniki wartościowe (stałoprądowe lub stałonapięciowe, stało amplitudowe, częstotliwościowe i fazowe)

Wzorzec – formułuje wielkość wzorcową o jednej lub wielu wartościach. Wzorzec wielowymiarowy ma wejście sterujące, nastawiające wartość wielkości wzorcowej. Właściwości metrologiczne narzędzi pomiarowych określa się ze pomocą parametrów charakterystyk oraz danych.

7. Równania i charakterystyki przetwarzana.

Przetwornik pomiarowy w I przybliżeniu traktowany jest jako narzędzie doskonałe spełniające ściśle swój algorytm działania.

Model matematyczny jest całkowicie dany przez algorytm działania. Algorytm ten wyrażamy w postaci równania przetwarzania. Wiąże on sygnał wejściowy z wyjściowym.

Rozróżnia się proste i odwrotne równanie przetwarzania i mają one postać:

Y=f(X)              funkcja przetwarzania prosta

X=g(Y)              funkcja przetwarzania odwrotna

Wykres funkcji przetwarzania we współrzędnych prostokątnych XY tworzy ch-styke przetwarzania:

Funkcję przetwarzania można sprowadzi do postaci y=f0(X)+Y0

f0(X) - funkcja zanikająca przy X=0

Y0 - wartość początkowa

Najprostsza ch-styka przetwarzania jest funkcją liniową lub funkcją liniową z przesunięciem początkowym.

Spotyka się też funkcje nieliniowe, które w pewnych obszarach można traktować jako liniowe.Na podstawie wykresu można wykreślić czułość norm. przetwarzania. lub czułość różniczkową tzn.

8. Układy pomiarowe: struktura otwarta i zamknięta.

Układ pomiarowy jest zbiorem środków technicznych tak ze sobą sprzężonych, że całość może realizować proces pomiaru lub przetwarzania. Struktura układu pomiarowego jest określona przez rodzaj sprzężeń między jego elementami i jest ściśle związana z metodą pomiaru lub przetwarzania stosowaną w układzie. Większość układów pomiarowych ma strukturę wielostopniową tzn. można w nich wyodrębnić składowe przetworniki.

Struktura otwarta

Schemat struktury układu otwartego zbudowanego jako przetwornik.

Układ ma tylko jeden element – przetwornik jednostopniowy

Jeżeli układ zbudowany jest jako przyrząd pomiarowy wychyłowy – sygnałem wyjściowym jest wychylenie wskazówki i na wyjściu jest wzorzec – podziałka.

Równanie przetwarzania X=Cα  C- stała przyrządu

Rzeczywisty błąd pomiaru

Błąd przetwarzania podziałki i odczytu tworzą błąd przyrządu którego wielkości graniczne wyznacza się łącznie.

Struktura zamknięta

Układy autokompensacyjne budowane są jako układy astatyczne lub statyczne. Układy astatyczne pracują zwykle jako przyrządy pomiarowe analogowe, układy statyczne jako przetworniki pomiarowe wartościowe

Istota działania układu astatycznego sprowadza się do nastawienia za pomocą silnika sterowanego sygnału niekomp. X takiej wartości wielkości E, dla której s niekompensacji znika. Układ astatyczny jest śledzącym ukł. regulacji automatycznej.

Istota działania ukł. autokomp. statycznej jest odjęcie detektora zera ze wzmacniaczem, pętla silnego ujemnego wzmocnienia wstecznego. W odróżnieniu od ukł. astatycznego w ukł. statycznym sygnał niekompensacji sterujący przetwornikiem nie może całkowicie zniknąć.

Układy autokompensacyjne statyczne są śledzącymi statycznymi ukł. reg. automatycznej. Sprzężenie zwrotne pozwala zmienić rezystancją wyjściową przetwornika, co wykorzystuje się do formowania charakteru wyjścia napięciowego lub prądowego. Przetworniki wartościowe o ukł. autokompensacji statycznej można podzielić na napięciowe i prądowe.

9. Układy pomiarowe: struktura półzamknięta i kaskadowa.

Struktura półzamknięta

Istota działania polega na skompensowaniu działania a-tej krotności wielkości mierzonej X działaniem b-tej krotności wielkości wzorcowej E. Wzajemną kompensację działania sprawdza się detektorem zera tj. wskaźnikiem równowagi czyli przyrządem pomiarowym sterowanym sygnałem niekompensacji X=aX-bE

Schemat układu kompensacyjnego

Błąd multiplikatywny powstaje w członie mnożącym

Rozróżniamy ukł. kompensacji zrównoważone pracujące metodą zerową i ukł. niezrównoważone pracujące metodą różnicową. Ukł. kompensacji równoważy się przez dobór wartości a,b,E tak żeby detektor wskazywał stan zerowy. Wynika stąd sygnału niekompensacji pociągając za sobą zależność X=bE/Be określająca wartość wielkości mierzonej. Przykładem ukł. komp. niezrównoważonego jest stosowanie w pomiarach wielkości nieelektrycznych mostków różnicowych.

Struktura kaskadowa

Struktura półzamknięta jest takim połączeniem przetworników przetworników którym wyjścia przetwornika poprzedniego jest połączone z wejściem przetwornika następnego. Stopniem końcowym układu o strukturze kaskadowej może być przyrząd pomiarowy lub przetwornik. Poszczególne stopnie mogą mieć strukturę wewnętrzną zupełnie dowolną (np. otwartą, zamkniętą czy kaskadową) Schemat struktury kaskadowej:

12. Termorezystory metalowe jako przetworniki temperatury.

Zasada działania przetworników rezystancyjnych polega na wykorzystaniu zjawiska zależności rezystancji metali od temperatury. Dla większości metali zależność tą określa funkcja  Rυ=R0(1+Aυ+Bυ2+Cυ3) Termorezystor stanowi uzwojenie wykonane z metalu nawinięta na kształtce z materiału izolacyjnego zmieniające swą rezystancję pod wpływem temperatury. Zmiana rezystancji czujnika jest wynikiem zmian temp.

Metale stosowane do budowy czujników powinny charakteryzować się następującymi właściwościami.

-dużym termicznym współczynnikiem rezystywności

-dużą rezystancją pozwalającą na małe rozmiary czujników

-stałość właściwości fizycznych i brakiem histerezy temperaturowej

-dużą powtarzalność właściwości metalu

-odporność na korozję

-odporność na wysoką temp.

Najlepiej nadaje się platyna gorzej nikiel i miedz. Zakres czujników platynowych -200 do 1000 0C stosunek R100/R0=1,385 Wymiary są rzędu kilkudziesięciu milimetrów.

Zmiana rezystancji przewodu metalowego wraz z temp. Rt=R0(1+At+Bt2) Tak się buduje czujnik by w temp. 00C jego rezystancja była równa 100Ω Rezystancja znamionowa termorezystora jest jego rezystancją w temp. 00C i z reguły wynosi 100Ω.

W niedużych zakresach zmian temp. współczynniki A i B przybierają wartości pomijalnie małe Wówczas wartość rezystancji czujnika można ograniczyć do dwóch członów i ma postać Rυ=R0(1+αυ) α- cieplny współczynnik zmiany rezystancji.

Platynę cechuje duża stabilność parametrów, nieliniowość charakterystyk w zakresie 0-100 0C nie przekracza 0,36 0C. Przy pomocy tych czujników można wykryć zmiany temp. rzędu 10-4 0C. Termooporniki niklowe i miedziane są mniej dokładne. Gorsza jest ich powtarzalność. Charakterystyka miedzi jest liniowa w szerszym zakresie niż platyny natomiast charakterystyka niklu jest silnie nieliniowa. Nowoczesne termorezystory cienkowarstwowe są bardzo małe 10x3 mm

10. Termoogniwa jako czujnik temperatury.

              Termoogniwo to obwód elektryczny złożony z dwóch materiałów. Jeżeli dwa różne metale A i B połączymy ze sobą w dwóch miejscach a następnie jedno z nich podgrzejemy do temperatury T2 wyższej od T1 drugiego złącza to w obwodzie powstanie siła elektromotoryczna EAB Siła ta jest wynikiem różnicy koncentracji elektronów swobodnych w metalach i różnych wartości prac wyjścia elektronów z każdego metalu. EAB(T1T2)=e(T1)-e(T2)

.

A,B – termoelementy

1-2 – spoiny odpowiednio pomiarowa i odniesienia

Temp. Jednej spoiny ustala się na jednym poziomie T1 = const Wtedy EAB =f(T2) Zależność powyższą wyznacza się dla różnego rodzaju elementów podaje w postaci tablic PN-92M-53854  W celach pomiarowych należy rozciąć obwód w dowolnym miejscu. Doprowadza to do zaniku prądu i powstania na przerwie różnicy potencjałów równej sile termoelektrycznej.

Realizacja pomiaru za pomocą termopary wymaga rozwiązania następujących problemów:

-dobór właściwych materiałów termopary

-sposób ustalenia temp. odniesienia

-pomiar siły termoelektrycznej

W celu uzyskania większych napięć łączy się termoogniwa w baterie.

Metale wybierane na termoelektrody powinny się znajdować daleko od siebie w szeregu elektrochemicznym, mieć wysoką temp. i dużą powtarzalność, odporność n...