1 POLITECHNIKA RZESZOWSKA im. Ignacego Łukasiewicza WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I INFORMATYKI ZAKŁAD METROLOGII I SYSTEMÓW POMIAROWYCH METROLOGIA Andrzej Rylski Politechnika Rzeszowska Zakład Metrologii i Systemów Pomiarowych, ul. W. Pola 2 35-959 Rzeszów, rylski @prz.rzeszow.pl http://rylski.sd.prz.edu.pl/ Wprowadzenie 9. Narzędzia pomiarowe – właściwości 9.1 Ogólny schemat blokowy przyrządu pomiarowego. 9.2 Właściwości dynamiczne 9.3 Właściwości statyczne - ocena przetworników pomiarowych w procesie ich uwierzytelniania 9.4 Opis dokładności przyrządu pomiarowego błędem addytywnym i multiplikatywnym 9.5 Porównanie wpływu zmienności przedziału błędów na wyznaczenie zbioru wspólnego 9.6 Pomiary napięcia 9.7 Pomiary napięcia – kompensatory 9.8 Błędy woltomierzy analogowego i cyfrowego 9.9 Zadanie 1 9.10 Zaokrąglenie wyznaczanych wartości błędów 9.11 Zaokrąglenie wyznaczanych wartości wielkości 9.12 Zadanie 2 9.13 Zadanie 3 9.14 Podsumowanie 9.15 Woltomierze cyfrowe 9.16 Woltomierz wielofunkcyjny 9.17 Zagadnienia do opracowania, literatura

2 Karandiejew K. B.: Pomiary elektryczne metodami mostkowymi i kompensacyjnymi, (tłum. z ros.), Wydawnictwa Naukowo- Techniczne Warszawa 1969 (tłumaczenie oryginału rosyjskiego z 1963r. Cmentarz ORLĄT LWOWSKICH http://www.prz.rzeszow.pl/ ~zmisp/MSM2005/foto_200 5/foto.htm

3 9.1 Ogólny schemat blokowy przyrządu pomiarowego. Rys.9.1. Schemat blokowy przyrządu pomiarowego. Właściwości statyczne: S – czułość przyrządu C=1/S – stała przyrządu  x – dokładność przyrządu  n x - błąd nieczułości Przetwornik pomiarowy (funkcyjny) dzielnik k1  k1M,  k1A, Przetwornik normalizacyjny wzmacniacz k2  k2M,  k2A, we Przyrząd wskazujący, miernik k3  k3M,  k3A,

4 9.2 Właściwości dynamiczne Rys.9.2. Odpowiedź układu na skok jednostkowy x(t) = 1(t) – skok jednostkowy sygnału wejściowego  - stała czasowa  (t) – sygnał wyjściowy Rys.9.3. Charakterystyka częstotliwościowa  =f(f) f d - dolna częstotliwość graniczna f g - górna częstotliwość graniczna

5 9.3 Właściwości statyczne - ocena przetworników pomiarowych w procesie ich uwierzytelniania Modele charakterystyk przetwarzaniaBłędy przyrządów U wy U we U wy U we U wy U we U wy U we U wy U we UwyUwy UwyUwy UwyUwy UwyUwy UwyUwy

6 9.4 Opis dokładności przyrządu pomiarowego błędem addytywnym i multiplikatywnym Rys.3.3. Wykres wartości względnej błędu przyrządu zdefiniowanego błędem dyskretyzacji, klasą lub wartością odniesioną do zakresu Rys.3.8. Rysunek przedziału wartości błędu bezwzględnego z niesymetrycznymi błędami addytywnym i multiplikatywnym błąd addytywny Błąd addytywny i multiplikatywny xx xnxn x x x  xgr -x n x x  xg r Rys.3.7. Rysunek przedziału zmian wartości błędu całkowitego bezwzględnego z błędem addytywnym xx xnxn x x x  xgr -x n x x  xgr xx xx x x Rys.3.3. Wykres wartości względnej błędu przyrządu zdefiniowanego błędem addytywnym i multiplikatywnym

7 9.5 Porównanie wpływu zmienności przedziału błędów na wyznaczenie zbioru wspólnego I II III IV Rys.3.8. Model obszaru wspólnego w pomiarach różnymi metodami I x+  x x x x-  x x+  x + x x-  x - II III Rys.3.9. Wyznaczenie wspólnego zbioru dla pomiarów I, II, III wykonanych w różnych warunkach pomiarowych z różnymi granicami błędów

8 9.6 Pomiary napięcia UxUx UoUo UwUw UoUo   Un,M,A,RvUn,M,A,Rv RxRx a. V RxRx UxUx RwRw UwUw V UxUx b.c. Un,M,A,RvUn,M,A,Rv Un,M,A,RvUn,M,A,Rv V    RxRx RwRw   RxRx  UoUo Rys.9.4. Układy metod pomiaru napięcia a. metoda bezpośrednia, b. metoda różnicowa, c. metoda zerowa statyczna Metoda bezpośrednia (3.1) (3.2) Metoda różnicowa (3.3) (3.4) Metoda zerowa (3.5) (3.6) (3.7)(3.8) (3.9) UWAGA Małe wartości błędów nawet te dążące do zera można zaniedbać dopiero po szczegółowej, liczbowej analizie zadania pomiarowego. Mogą również występować błędy systematyczne w pomiarach, uwzględnia się je w wyniku pomiaru.

9 9.7 Pomiary napięcia - kompensatory UoUo V RxRx UxUx RwRw UwUw Un,M,A,RvUn,M,A,Rv   RkRk A RxRx UxUx RwRw UwUw Un,M,A,RvUn,M,A,Rv   V RkRk A RxRx UxUx RwRw UwUw Un,M,A,RvUn,M,A,Rv   V (9.5) (9.6) (9.7)(9.8) (9.9) a.Rys.9.5. Pomiary napięcia metodą zerową – kompensatory Zasada kompensacyjnej metody pomiaru Kompensator z regulowanym prądem roboczym Kompensator ze stałym prądem roboczym

10 9.8 Błędy woltomierzy analogowego i cyfrowego dzielnik k1  k1M,  k1A, wzmacniacz k2  k2M,  k2A, we Rys.3.11. Schemat blokowy woltomierza Równanie przetwarzania tego toru z odczytem analogowym i cyfrowym: (3.18) (3.19) (3.22) (3.23) (3.24) (3.25) (3.26) (3.27) (3.28)

11 9.9 Zadanie 1 Oblicz wartość błędu względnego i bezwzględnego oraz zapisz wynik pomiaru woltomierzem, w którym kolejne jego bloki toru pomiarowego jak na rys. 3.2. mają następujące właściwości: - dzielnik : k1=1V/V,  0,01% wartości mierzonej,  0,02% wartości zakresu, - wzmacniacz: k2=10V/V,  0,01% wartości mierzonej,  0,03% wartości zakresu, - wskaźnik elektromechaniczny: k3=10dz/V, k 0,1,  n =300dz,  =101,865dz Dane: dzielnik:wzmacniacz:wskaźnik: k1=1V/V,k2=10V/Vk3=10dz/V  k1M =  0,01%,  k2M =  0,01%, k 0,1  k1A =  0,02%,  k2A =  0,03%,  n =300dz,  =101,865dz oblicz: , U - ? Obliczenia: -stała woltomierza: -zakres woltomierza -wartość zmierzona -wartość błędu bezwzględnego - wartość błędu względnego -wynik pomiaruU=(1,0186  0,0048)V

12 9.12 Zadanie 2. Oblicz wartość błędu względnego i bezwzględnego oraz zapisz wynik pomiaru woltomierzem, w którym kolejne jego bloki toru pomiarowego jak na rys. 2. mają następujące właściwości: - dzielnik : k1=1V/V, 0,01% wartości mierzonej,  0,02% wartości zakresu, - wzmacniacz: k2=10V/V,  0,01% wartości mierzonej,  0,03% wartości zakresu, - wskaźnik elektromechaniczny: k3=10dz/V, k 0,1, an=300dz, a=101,865dz Dane: dzielnik:wzmacniacz:wskaźnik: k 1 =1V/V,k 2 =10V/V k 3 =10dz/V  k 1M = 0,01%,  k 2M =  0,01%,k 0,1  k 1A =  0,02%,  k2A=  0,03%,  n =300dz,  =101,865dz oblicz: , U - ? Obliczenia: -stała woltomierza: -zakres woltomierza -wartość zmierzona wartość błędu bezwzględnego - wartość błędu względnego -wynik pomiaru U=(1,0186 )V

13 9.13 Zadanie 3. Oblicz wartość błędu względnego i bezwzględnego oraz zapisz wynik pomiaru woltomierzem, w którym kolejne jego bloki toru pomiarowego jak na rys. 3.2. mają następujące właściwości: - dzielnik : k1=1V/V, ±0,01 wartości mierzonej,  0,02% wartości zakresu, - wzmacniacz: k2=10V/V,  0,01% wartości mierzonej,  0,03% wartości zakresu, - wskaźnik elektromechaniczny: k3=10dz/V, k 0,1,  n=300dz,  =101,865dz Dane: dzielnik:wzmacniacz: wskaźnik: k1=1V/V,k2=10V/Vk3=10dz/V  k1M =  0,01,  k2M =  0,01%, k 0,1  k1A =  0,02%,  k2A =  0,03%,  n =300dz,  =101,865dz oblicz: , U - ? Obliczenia: -stała woltomierza: -zakres woltomierza -wartość zmierzona wartość błędu bezwzględnego - wartość błędu względnego -wynik pomiaru U=(1,019  0,015)V

14 9.14 Podsumowanie wartośćZadanie 1Zadanie 2Zadanie 3 k11V/V  k1M  0,01% 0,01%  0,01  k1A  0,02%, k210V/V  k2M  0,01%,  k2A  0,03%, k310dz/V k0,1 nn 300dz  101,865dz UU  0,0048V V  0,015V UU  0,47% %  1,5% U (1,019,  0,0048)V (1,019, )V (1,019,  0,015)V UWAGA Wartość względna może być przedstawiona jako: liczba bezwymiarowa, jeżeli będzie ta liczba pomnożona przez 100, wówczas przy tej nowej liczbie stawiamy znak „%”, np.  = 0,1%=0,001. W postępowaniu „pomiarowców” bardzo ważna jest staranność zapisu wartości, symboli, oraz ciągła kontrola jednostek w obliczeniach, polegająca na sprawdzeniu czy jednostka wynikająca z analizy wzoru odpowiada jednostce oczekiwanej.

15 9.15 Woltomierze cyfrowe wzmacniacz detektor wz.całkujący przetwornik wartości skutecznej A/C enkoder pole odczytowe dzielnik Rys.3.14. Schemat blokowy woltomierza cyfrowego napięcia przemiennego wzmacniacz detektor synchronicz ny R wz.całkujący przetwornik wartości skutecznej A/C enkoder pole odczytowe dzielnik generator układ formujący Rys.3.15. Schemat blokowy woltomierza wektorowego składowej czynnej wzmacniacz detektor synchronicz ny R wz.całkujący przetwornik wartości skutecznej A/C enkoder pole odczytowe dzielnik generator układ formujący przesuwnik fazy  /2 Rys.3.16. Schemat blokowy woltomierza wektorowego składowej biernej

16 9.16 Woltomierz wielofunkcyjny Sąda W.N. W.CZ. DZ TRANS KONDER TRANS KONDER TRANS KONDER A/C A/A  P.O Ux P.O W.N. W.K. G DE.SY. UR DE.S YUR TRANS KONDER EPFRON RAM Klawiatura Drukarka Ploter Interfejs IEC G25 Interfejs RS 32Z Ua Synd r Rys.3.17. Schemat blokowy woltomierza wielofunkcyjnego z procesorem

17 9.17 Zagadnienia do opracowania, literatura Zagadnienia: Podstawowe metody pomiaru napięcia. Zasada i właściwości metody bezpośredniej pomiaru napięcia. Zasada i właściwości metody różnicowej pomiaru napięcia. Zasada i właściwości metody zerowej pomiaru napięcia. Sposoby opisu błędów przetworników pomiarowych. Porównanie zmienności przedziału błędów kilku przyrządów w pomiarze tej samej wartości danej wielkości na wyznaczenie zbioru wspólnego. Schemat blokowy woltomierza cyfrowego napięcia. Schemat blokowy woltomierza wektorowego składowej biernej Rodzaje pracy przetworników A/C. Schemat blokowy woltomierza wektorowego składowej czynnej Schemat blokowy woltomierza wielofunkcyjnego z procesorem Literatura: [1]. P.D. Sydenham, Podręcznik metrologii, WKŁ Warszawa 1990r. [2]. A. Rylski, Sensory i przetworniki wielkości nieelektrycznych, zadania, skrypt Politechniki Rzeszowskiej 1994r. [3]. A. Rylski, Ocena przetworników pomiarowych w procesie ich uwierzytelniania, materiały IV Międzynarodowego Seminarium Metrologów Rzeszów 1997r. [4] S. Michalak, Współpraca specjalizowanych przetworników a/c z mikroprocesorowym systemem pomiarowym. ZN WSI nr 203, Opole 1994, s. 67-70. [5]. W.David Gregg, Podstawy telekomunikacji analogowej i cyfrowej WNT Warszawa str 88 [6]. S.I.Baskakow, Sygnały i układy radiotechniczne, PWN Warszawa 1991r