1 POLITECHNIKA RZESZOWSKA im. Ignacego Łukasiewicza WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I INFORMATYKI KATEDRA METROLOGII I SYSTEMÓW DIAGNOSTYCZNYCH METROLOGIA ELEKTRYCZNA Andrzej Rylski Politechnika Rzeszowska Katedra Metrologii i Systemów Diagnostycznych, ul. W. Pola 2 35-959 Rzeszów, rylski @prz.edu.pl Pomiary R, L, C mostkiem dwu parametrowym, pomiar czasu opóźnienia, stałej czasowej i częstotliwości drgań 1.Strona tytułowa 2.Jednoczesny pomiar dwóch rezystancji 3.Funkcja przetwarzania mostka 4.Szczególny przypadek mostka Wiena 5.Szczególny przypadek mostka Wiena 6.Tablica 1. Wzory do przybliżonego obliczania napięcia nierównowagi mostka Wiena 7.Jednoczesny pomiar zmian wartości dwóch rezystancji 8.Jednoczesny pomiar zmian wartości dwóch rezystancji 9.Schemat blokowy przyrządu 10.Model laboratoryjny przyrządu 11.Wnioski 12.Miernik przesunięć MDNf-D 13.Miernik przesunięć MDNf-D 14.Multimetry cyfrowe 15.Multimetr Finest 285 TRUE RMS 16.Multimetr V 562 pomiar napięć stałych i przemiennych 17.Multimetr V 562 pomiar prądów stałych i zmiennych 18.Multimetr V 562 pomiar rezystancji i pojemności 19.Multimetr V 562 zdania, pomiar napięcia, błąd dyskretyzacji 20.Multimetr V 562 zdania, pomiar rezystancji 21.Multimetr V 562 zdania, pomiar pojemności 22.Multimetr G-1004-500,dane techniczne 23.Multimetr G-1004-500, dane techniczne 24.Multimetr G-1004-500, zadanie pomiar napięcia i prądu 25.Multimetr G-1004-500, zadanie pomiar rezystancji 26.Pomiary częstotliwości – wzorce 27.Wzorzec pierwotny częstotliwości 28.Kwarcowe wzorce częstotliwości 29.Budowa generatorów pomiarowych 30.Wobulator 31.Metody pomiaru częstotliwości sygnału 32.Metoda cyfrowa bezpośredniego i pośredniego pomiaru częstotliwości 33.Metoda oscyloskopowa z wykorzystaniem podstawy czasu 34.Metoda oscyloskopowa z wykorzystaniem podstawy czasu 35.Pomiar częstotliwości metodą krzywych Lissajous 36.Literatura, pytania

2 JEDNOCZESNY POMIAR WARTOŚCI DWÓCH REZYSTANCJI NIEZRÓWNOWAŻONYM MOSTKIEM PRĄDU PRZEMIENNEGO Tematy: Funkcja przetwarzania mostka dla różnych sposobów włączenia czujnika pomiarowego Szczególny przypadek mostka Wiena Tablica 1. Wzory do przybliżonego obliczania napięcia nierównowagi mostka Wiena Jednoczesny pomiar zmian wartości dwóch rezystancji Model laboratoryjny przyrządu do jednoczesnego pomiaru dwóch rezystancji Wnioski Pytania

3 Funkcja przetwarzania mostka Rys.1. Schemat mostka a. generator włączony w węzły A-C, woltomierz włączony w węzły B-D b. generator włączony w węzły B-D, woltomierz włączony w węzły A-C Wielowątkowa analizę warunków równowagi opisali Szadkowski np.[3], Miczulski w monografii [4 ] A B C D A B C D

4 Szczególny przypadek mostka Wiena a.b. A B C D A B C D Rys. 2 Mostek Wiena : a. generator włączony w węzeł połączenia dwóch gałęzi RC i węzeł połączenia dwóch gałęzi R - zasilanie symetrycznych par ramion mostka, woltomierz włączony w węzły połączenia gałęzi RC i R b. generator włączony w węzły połączenia gałęzi RC i R - zasilanie niesymetrycznych par ramion mostka, woltomierz włączony w węzeł połączenia dwóch gałęzi RC i węzeł połączenia dwóch gałęzi R

5 Szczególny przypadek mostka Wiena pod warunkami, że impedancje w gałęziach są w przybliżeniu sobie równe A B C D

6 Tablica 1. Wzory do przybliżonego obliczania napięcia nierównowagi mostka Wiena przy zasilaniu symetrycznych par ramion mostka rys.2a i par ramion niesymetrycznych mostka

7 Jednoczesny pomiar zmian wartości dwóch rezystancji wzory przybliżone Sposoby niezależnego jednoczesnego pomiaru dwóch rezystancji: Rezystory zmienne: R1 i R3, Ux=f(  R1), UR=f(  R3), Rezystory zmienne: R1 i R4, Ux=f(  R1), UR=f(  R4), Rezystory zmienne: R2 i R3, Ux=f(  R2), UR=f(  R3), Rezystory zmienne: R2 i R4, Ux=f(  R2), UR=f(  R4),

8 Jednoczesny pomiar zmian wartości dwóch rezystancji wzory dokładne R2 = R4 = R(4) R1 = R+DR1 (6) R3 = R+DR3 (7)

9 Schemat blokowy przyrządu detektor synchro. wzm. całkujący wzm. różnicowy A/C pole odczytowe wzm. przes. fazy  /2. generator R1R1 R2R2 R3R3 R4R4 Rys. 3 Schemat blokowy przyrządu do jednoczesnego pomiaru zmian dwóch rezystancji czujnika w wiatromierzu

10 Model laboratoryjny przyrządu do jednoczesnego pomiaru dwóch rezystancji oscylosko p xy generator 1kHz 480  1F1F 1F1F Rys.4 Układ do sprawdzenie działania szczególnego niezrównoważonego mostka Wiena do jednoczesnego pomiaru zmiany wartości 2 rezystancji. Tablica 2 Wyniki pomiarów szczególnym mostkiem Wiena

11 Wnioski. Tego typu mostek można zastosować np. : - w wiatromierzu z przetwornikami rezystancyjnymi do identyfikacji kierunku i siły wiatru, - w wielopunktowych pomiarach naprężeń obiektów technicznych, wówczas ilość przetworników pomiarowych (mostków) współpracujących z tensometrami może być dwukrotnie mniejsza, do jednego mostka dołącza się 2 tensometry i uzyskuje się 2 niezależne informacje na jego wyjściu, - w wielopunktowych pomiarach temperatury czujnikami rezystancyjnymi itp. Zastosowanie tego typu mostka powoduje: dwukrotne zmniejszenie ilości przetworników pomiarowych (mostków) w wielopunktowych pomiarach, poprawę dokładności dla mierzonych par sygnałów, tym samym mostkiem w tym samym czasie dokonuje się ich pomiaru, zmniejszenie wpływu zakłóceń na wynik pomiaru.

12 Miernik przesunięć MDNf-D

13

14 Multimetry cyfrowe

15 FINEST 285 FUNCTIONRANGERESOLUTIONACCURACY DC VOLTAGE200 mA10 mV 2 V100 mV 20 V1 mV 200 V10 mV 1000 V100 mV AC VOLTAGE200 mV10 mV 2 V100 mV 20 V1 mV 200 V10 mV 750 V100 mV DC CURRENT2 mA0.1 mA 200 mA10 mA 10 A1 mA AC CURRENT2 mA0.1 mA 200 mA10 mA 10 A1 mA Multimetr Finest 285 TRUE RMS

16 Multimetr V 562 pomiar napięć stałych i przemiennych AC DIGITAL MULTIMETER V562 MERATRONIK 650 V 250 V V A  F AC 200 2 20 200 2000 20 mV mA  V mA k  Pomiar napięć przemiennych Pomiar napięć stałych

17 Multimetr V 562 pomiar prądów stałych i zmiennych

18 Multimetr V 562 pomiar rezystancji i pojemności

19 Multimetr V 562 zdania

20

21

22 Multimetr G-1004-500

23

24

25

26 Pomiary częstotliwości - wzorce 1920 1930 19401950 19601970 1980 1990 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 10 -11 10 -12 10 -13 10 -14 A B C  f/f Rys. 4.1. Wzrost dokładności wzorców w latach 1920-1990 A. wzorce kamertonowe B. wzorce kwarcowe C. wzorce atomowe 195 6 195 7 1958 195 9 X 10 -8 4 3 2 1 0 P1 P2 P3 niestabilność wzorca atomowego Rys. 4.2. Stabilność wzorców kwarcowych w czasie, w porównaniu z wzorcem atomowym Wzorce czasu: wzorce pierwotne (wzorce laboratoryjne najwyższej klasy ) Czas atomowy międzynarodowy - TAI (Temps Atomique International Czas uniwersalny średni - TU1 (Tempa Universel 1) ; wzorce wtórne wzorce użytkowe

27 Wzorzec pierwotny częstotliwości Piec cezowy Selektor magnetyczn y Komora mikrofalowa Powielacz jonów Selektor magnetyczny II Detektor promieniowani a Spektrometr masowy Wejście mikrofalowe f=9192631770Hz wyjście Ekrany magnetyczne Rys. 4.3. Schemat funkcjonalny cezowej lampy promieniowej W piecu emitowane są atomy o dwóch poziomach energetycznych F=4 i F=3 Po selektorze tylko F=4 W komorze przechodzą do grupy F=3 Po selektorze tylko F-3 W detektorze następuje przejście do F=4 Uzyskaną tak falę promieniowania mierzy detektor fotonowo/jonowy Jony zostają uporządkowane w spektrometrze masowym są przesłane na powielacz i wzmacniacz Prąd wyjściowy zawiera składową stałą i składową przemienną o bardzo stabilnej częstotliwości 137 Hz. generator kwarcowy 5MHz Wzmacniac z syntetyzer modulator f2-90MHz generator Harmoniczny ch generator f s =137Hz lampa cezowa promieniow a Wzmacniac z detektor R C f w =5MHz f3f3 f4f4 I wy Rys. 4.4. Schemat struktury atomowego etalonu częstotliwości Aktywny Maser Hydrogenowy CH1-75 DATUM FTS 4040A/RS CESIUM FREQUENCY STANDARD

28 Kwarcowe wzorce częstotliwości Rys. 4.5. Schemat blokowy generatora częstotliwości wzorcowej ze stabilizacją kwarcową Generatory pomiarowe, podział i wymagania generatory częstotliwości podakustycznych ( 0,001 Hz ¸ 20 Hz) generatory częstotliwości akustycznych ( 20 Hz ¸ 20 kHz) generatory częstotliwości ponadakustycznych ( 20 kHz ¸ 200 kHz) generatory wielkiej częstotliwości ( 100 kHz ¸ 150 MHz) generatory bardzo wielkiej częstotliwości ( 150 MHz ¸ 300 GHz) generatory małej mocy ( Pwy < 0,1 W ) generatory średniej mocy ( Pwy < 10 W ) generatory dużej mocy ( Pwy > 10 W ) generatory napięć sinusoidalnych generatory funkcyjne: generatory impulsów prostokątnych, generatory przebiegów trójkątnych i piłokształtnych generatory szumów generatory dewiacyjne. ARW wzmacniacz separator zasilacz stabilizator temperatury termost at rezonato r kwarcow y wy

29 Budowa generatorów pomiarowych generator wzbudzając y wzmacniac z separator wzmacniac z mocy R dzielnik napięcia woltomierz częstościomierz wy Rys. 4.6. Schemat funkcjonalny generatora pomiarowego + R1R1 R2R2 R C R C U wy U we -  k u =1(4.2)  1 +  2 =2n  (4.3) Rys. 4.7. Schemat układu generatora z mostkiem Wiena zakres częstotliwości 0,1 Hz ¸ 1 MHz. współczynnikiem zniekształceń nieliniowych (poniżej 0,1%) dużą stabilnością częstotliwości (1,5 × 10-4 ¸2,5 ×10-3). 2A – Wzorzec częstotliwości synchronizowany drogą radiową - TANIA ALTERNATYWA umożliwia odbiór sygnałów na częstotliwościach 198 kHz (Droitwich Radio 4) oraz 162 kHz (France Inter). zastosowanie w szeregu aplikacji, takich jak: analizatory widma, mikrofalowe analizatory sieciowe, czasomierze, odbiór stacji bazowych systemów TETRA, GSM, CDMA oraz VHF/UHF PMR. MG3690A – Rodzina Generatorów Sygnałowych (Syntezerów) od 0,1Hz do 65GHz Seria wysokiej klasy szerokopasmowych generatorów mikrofalowych MG3690A składa się z 6 modeli pokrywających pasmo od 0.1 Hz do 65 GHz z rozdzielczością 0,01Hz.

30 Wobulator oscyloskop we x y wobuloskop gnerator w.cz układ periodycznego przestrajania detektor wobulator napięcie podstawy czasu obiekt badany Rys. 4.8. Schemat blokowy wobuloskopu

31 Metody pomiaru częstotliwości sygnału. Interferencyjna metoda pomiaru częstotliwości xx ww MIESZACZ Wskaźnik zera dudnień  f  f a. b. Rys. 4.9. Pomiar częstotliwości metodą interferencyjną. a.schemat blokowy pomiaru metodą interferencyjną. b. idealny przebieg porównania ff -f-f Rys. 4.10. Rzeczywiste charakterystyki porównania sygnałów metodą interferencyjną

32 Metoda cyfrowa bezpośredniego i pośredniego pomiaru częstotliwości Rys. 4.12. Schemat blokowy metody cyfrowej bezpośredniego i pośredniego pomiaru częstotliwości 2 3 1 t t t (4.12) U=U(f x ) fwfw licznik pamięć enkoder pole odczytowe dzielnik sterowanie 1 2 3 Metoda bezpośrednia Metoda pośrednia Podstawowym warunkiem pomiaru jest : wówczas liczba zliczonych impulsów odpowiada mierzonej częstotliwości i można ją wyrazić wzorem: 3 1 t t t 2 f X >>f W; (4.6) (4.7) (4.8) f X

33 Metoda oscyloskopowa z wykorzystaniem podstawy czasu - wyjaśnienie pracy w oscyloskopu U – napiecie mierzone, obserwowane na ekranie U level – napięcie poziomu wyzwalania U wy – napięcie wyzwalania generatora podstawy czasu U pcz – napięcie generatora podstawy czasu

34 Metoda oscyloskopowa z wykorzystaniem podstawy czasu 1 W klucz elektroniczny Generator podstawy czasu U m sin  t Generator pracy przemiennej i próbkującej Blok synchroniza cji Y1/Y2 Wzmacniac z Y1 Wzmacniac z Y2 WE Y1 WE Y2 2 T H L Rys. 4.16. Schemat pomiaru częstotliwości oscyloskopem z wykorzystaniem podstawy czasu (4.15) (4.16) (4.17)

35 Pomiar częstotliwości metodą krzywych Lissajous 1 W klucz elektroniczny Generator podstawy czasu U m sin  w  t U m sin  t Generator pracy przemiennej i próbkującej Blok synchroniza cji Y1/Y2 Wzmacniac z Y1 Wzmacniac z Y2 WE Y1 WE Y2 2 H L Rys. 4.17. Układ do pomiaru częstotliwości metodą krzywych Lissajous Obraz ten może przedstawiać następujące treści: elipsa, koło -  /  w = 1/1 ósemka -  /  w = 1/2 ósemka leżąca -  /  w = 2/1 (4.18) A – liczba przecięć obrazu z osią X B – liczba przecięć obrazu z osią Y (4.19)

36 Pytania: Wymień wzorce częstotliwości. 1.Budowa kwarcowego wzorca częstotliwości. 2.Właściwości metrologiczne kwarcowego wzorca częstotliwości. 3.Budowa molekularnego wzorca częstotliwości. 4.Właściwości metrologiczne molekularnego wzorca częstotliwości. 5.Podział generatorów. 6.Schemat blokowy generatora pomiarowego. 7.Ganerator z mostkiem Wiena. 8.Generatory dewiacyjne, wobuloskop. 9.Wymień metody pomiaru częstotliwości. 10.Pomiar częstotliwości przez zdudnianie. 11.Pomiar częstotliwości metodą analogową. 12.Pomiar częstotliwości metodą cyfrową bezpośrednią. 13.Pomiar częstotliwości metodą cyfrową pośrednią. 14.Metody interferencyjne pomiaru częstotliwości. 15.Metody oscyloskopowe pomiaru częstotliwości. 16.Metoda krzywych Lissajous Literatura: [1]. P.D. Sydenham, Podręcznik metrologii, WKŁ Warszawa 1990r. [2]. A. Chwaleba, M.Poński, A.Siedlecki, Metreologia Elektryczna, WNT Warszawa, 1994 [1]. Rylski A., Metrologia II prąd zmienny, str. 111-127, skrypt, Wydawnictwa Politechniki Rzeszowskiej 2004 [2]. Rylski A., Metrologia – wybrane zagadnienia. Zadania, str.40- 43, skrypt Wydanie III, Wydawnictwa Politechniki Rzeszowskiej 2004,