1 POLITECHNIKA RZESZOWSKA imPOLITECHNIKA RZESZOWSKA im. Ignacego Łukasiewicza WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I INFORMATYKI KATEDRA METROLOGII I SYSTEMÓW DIAGNOSTYCZNYCH METROLOGIA Andrzej Rylski Politechnika Rzeszowska Katedra Metrologii i Systemów Diagnostycznych, ul. W. Pola 2, Rzeszów, Systemy pomiarowe

2

3 Cel kształcenia i wykaz literaturyPodstawowe informacje o module Nazwa jednostki prowadzącej studia: Elektrotechniki i Informatyki Nazwa kierunku studiów: Elektrotechnika Obszar kształcenia: nauki techniczne Profil kształcenia: ogólnoakademicki Poziom kształcenia: pierwszego stopnia Specjalności na kierunku: Napędy elektryczne w energetyce, motoryzacji i lotnictwie, Przetwarzanie i użytkowanie energii elektrycznej Tytuł otrzymywany po ukończeniu studiów: inżynier Nazwa jednostki prowadzącej moduł: Katedra Metrologii i Systemów Diagnostycznych Nazwa modułu: Metrologia II Kod modułu: 3675 Status modułu: obowiązkowy dla programu Napędy elektryczne w energetyce, motoryzacji i lotnictwie, Przetwarzanie i użytkowanie energii elektrycznej Układ modułu w planie studiów: sem: 3 / W15 L30 / 4 ECTS Język wykładowy: polski Imię i nazwisko koordynatora: dr inż. Andrzej Rylski Dane kontaktowe koordynatora: budynek A, pokój 202, tel , Terminy konsultacji koordynatora: środa 7-8, 14-17 Pozostałe osoby prowadzące moduł semestr 3: prof. dr hab. inż. Mykhaylo Dorozhovets, termin konsultacji Cel kształcenia i wykaz literatury Główny cel kształcenia: Głównym celem kształcenia dla modułu Metrologia jest przedstawienie studentom informacji dotyczących metod pomiaru podstawowych wielkości elektrycznych oraz zapoznanie studentów z obsługą typowych przyrządów pomiarowych. Materiały dydaktyczne: Prezentacje, instrukcje do ćwiczeń, przykłady materiałów do kolokwium Inne: Stanowiskowe instrukcje do laboratorium Literatura wykorzystywana podczas zajęć wykładowych 1. Chwaleba A., Poniński M., Siedlecki A. Metrologia elektryczna Wydawnictwa Naukowo-Techniczne Warszawa., 2010 2. Rylski A. Metrologia II, prąd zmienny Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej., 2006 3. Metrologia, wybrane zagadnienia, zadania 4. Rylski A. Wojturski J. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej., 2013

4 Wymagania formalne: Rejestracja na trzeci semestr studiów Literatura wykorzystywana podczas zajęć ćwiczeniowych/laboratoryjnych/innych 1. Dziuban E.,Dorozhovets M.,Kowalczyk A.,Rylski A.,Szlachta A.,Tabisz R.,Wilk B.,Wojturski J. Metrologia elektryczna i elektroniczna Laboratorium Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej., 2005 1. Sydenham P. H. Podręcznik metrologii Wydawnictwa Komunikacji i Łączności., 1990 Literatura do samodzielnego studiowania Wymagania wstępne w kategorii wiedzy/umiejętności/kompetencji społecznych Wymagania formalne: Rejestracja na trzeci semestr studiów Wymagania wstępne w kategorii Wiedzy: Podstawowa wiedza z matematyki, fizyki i Metrologia I Wymagania wstępne w kategorii Umiejętności: Podstawowe umiejętności z zakresu eksperymentów fizycznych Wymagania wstępne w kategorii Kompetencji społecznych: Podstawowa umiejętność współpracy w zespole. Efekty kształcenia dla modułu MEK Student, który zaliczył moduł Formy zajęć/metody dydaktyczne prowadzące do osiągnięcia danego efektu kształcenia Sposoby weryfikacji każdego z wymienionych efektów kształcenia 01. Montuje i obsługuje podstawowe układy pomiarowe. wykład, laboratorium kolokwium, egzamin cz. pisemna, egzamin cz. ustna 02. Mierzy złożone wielkości elektryczne. sprawdzian pisemny, obserwacja wykonawstwa, raport pisemny, sprawozdanie z projektu 03. Oblicza niepewność uzyskanych wyników w pomiarach pośrednich kolokwium, sprawozdanie z projektu, egzamin cz. pisemna Treści kształcenia dla modułu Sem. TK Treści kształcenia Realizowane na 3 TK01 Układy pomiarowe, systemy z mikroprocesorem, systemy z komputerami osobistymi W01, L04, L05, L07 TK02 Pomiary wielkości elektrycznych i magnetycznych: napięcia, prądu, częstotliwości; pomiary okresu i przesunięcia fazowego, metody analogowe i cyfrowe oraz oscyloskopowe, krzywe Lissajous. Pomiary impedancji - wybrane układy Kolokwium Pomiary mocy, czynnej i biernej, THD, pomiary energii elektrycznej, odbiorników jednofazowych i trójfazowych, symetrycznych i niesymetrycznych. W02,W03, L01, L03, L04, L05 TK03 Przetworniki pomiarowe Przetworniki U/U: wartości średniej, skutecznej, szczytowej, detektory składowej czynnej i biernej, detektory wartości ekstremalnych, przetworniki natężenia pola magnetycznego W04, W05, L02, L06, L08, L10, L11, L12 TK04 Rejestracja danych pomiarowych W06, L02, L07, L09, L12 TK05 Sprawdzanie urządzeń pomiarowych: krajowe służby miar, organizacja, normy W07, W08, L04,L06, L10, L13

5 Sposób wystawiania oceny podsumowującejWarunki zaliczenia modułu Student, który zaliczył moduł na ocenę 3 na ocenę 4 na ocenę 5 Montuje i obsługuje podstawowe układy pomiarowe. nie tylko osiągnął poziom wiedzy i umiejętności wymagany na ocenę 3, ale również uwzględnia wpływ warunków zewnętrznych na działanie przyrządów nie tylko osiągnął poziom wiedzy i umiejętności wymagany na ocenę 4, ale również montuje i obsługuje podstawowe przyrządy pomiarowe w sytuacjach nietypowych Mierzy złożone wielkości elektryczne. nie tylko osiągnął poziom wiedzy i umiejętności wymagany na ocenę 3, ale również uwzględnia wpływ warunków zewnętrznych na pomiar nie tylko osiągnął poziom wiedzy i umiejętności wymagany na ocenę 4, ale również uwzględnia podczas pomiarów sytuacje nietypowe Oblicza niepewność uzyskanych wyników w pomiarach pośrednich nie tylko osiągnął poziom wiedzy i umiejętności wymagany na ocenę 3, ale również uwzględnia wpływ warunków zewnętrznych w obliczaniu niedokładności wyniku pomiaru nie tylko osiągnął poziom wiedzy i umiejętności wymagany na ocenę 4, ale również omawia sposoby zmniejszenia niedokładności wyniku pomiaru. Student, który osiągnął zakładany poziom wiedzy, posiadł wymagane umiejętności, cechuje się określonymi kompetencjami społecznymi ,które są zdefiniowane w efektach kształcenia dla modułu, zalicza moduł kształcenia Student, który nie osiągnął zakładanych efektów kształcenia, nie zalicza modułu kształcenia Sposób wystawiania ocen składowych modułu i oceny końcowej Forma zajęć Sposób wystawiania oceny podsumowującej Wykład Kolokwium, egzamin pisemny, egzamin ustny Laboratorium sprawdzian pisemny, obserwacja wykonawstwa, raport pisemny, sprawozdanie z projektu Ocena końcowa 0,8 oceny z wykładu + 0,2 oceny z laboratorium Przykładowe zadania Wymagane podczas egzaminu/zaliczenia egz JPG kolsIIb2010.JPG kolsIIa2010.JPG Realizowane podczas zajęć ćwiczeniowych/laboratoryjnych/projektowych Inne Czy podczas egzaminu/zaliczenia student ma możliwość korzystania z materiałów pomocniczych: nie

6 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

7 METROLOGIA Systemy pomiarowe Zagadnienia:Wprowadzenie, niepewność pomiaru zadanie - Obliczenie wartości niepewności pomiaru Zadania systemu Algorytm procesu pomiarowego Klasyfikacja systemów pomiarowych . Budowa systemu pomiarowego Funkcje systemu pomiarowego Schemat blokowy przyrządu pomiarowego z mikroprocesorem Konfiguracja systemów pomiarowych. Interfejs w systemie pomiarowym. Interfejs RS-232 C Interfejs 422A Interfejs 485 Inne stosowane standardy interfejsów, standard VXI podsumowanie Literatura: Rylski A., Metrologia II prąd zmienny, str , skrypt, Wydawnictwa Politechniki Rzeszowskiej 2004 Rylski A., Metrologia – wybrane zagadnienia. Zadania, str , skrypt Wydanie III, Wydawnictwa Politechniki Rzeszowskiej 2004, Rylski A., Wojturski J., Metrologia elektryczna OWPRz 2013 Winiecki Wiesław: Organizacja komputerowych systemów pomiarowych. Warszawa, OWPW 1997.

8 Dla rozkładu normalnego StudentaWyrażanie niepewności pomiaru Wyrażanie niepewności pomiaru przewodnik Główny Urząd Miar 1999 Niepewność typu A – uA (estymata odchylenia standardowego) Wartość odchylenia standardowego obliczona drogą analizy statystycznej. Dla rozkładu normalnego Gaussa: Niepewność typu B - ux Obliczenie niepewności wyniku pomiaru metodami innymi niż analiza serii pomiarów Np. z błędu przyrządu pomiarowego Dx dla rozkładu: Dla rozkładu normalnego Studenta Dla rozkładu równomiernego Dla rozkładu trójkątnego Dla rozkładu normalnego Niepewność rozszerzona Współczynnik rozszerzenia kp tpn Niepewność względna ur Niepewność złożona - Obliczenie niepewności wyniku otrzymanego z pomiaru metodami pośrednimi

9 Obliczenie wartości niepewnościZadanie 53 Oblicz wartość niepewności metodą typu B oraz zapisz wynik pomiaru napięcia stałego multimetrem o następujących danych: Un=200mV, niedokładność wskazań ±0,3% of rdg +1dgt, rozkład błędów jest równomierny, wartość odczytana U=163,1mV Un=200mV U=163,1mV dM=±0,3% DA=+1z uB=?, U=?

10 Przesyłanie informacjiświat rzeczywisty intelektualista inżynier modele intelektualne pomiary specjalista konstruowanie przyrządów rozważania intelektualne modele fizyczne 1 2 3 Rys.1.1. Obszary działalności człowieka

11 Przesyłanie informacji, Metody bezpośredniego przesyłania informacji1 - wartość chwilowa, x=x(t) 2 - wartość średnia, 3 - wartość skuteczna, 4 - wartość szczytowa, 5 - wartość międzyszczytowa. 6 - częstotliwość (okres), 7 - przesunięcie fazowe, opóźnienie, 8 - funkcja korelacji, 9 - współczynniki kształtu, 10 - współczynnik szczytu, 11 - współczynnik zniekształceń nieliniowych.

12 Metody bezpośredniego przesyłania informacji Tablica 1. AMetody bezpośredniego przesyłania informacji Tablica 1.A. Wartości, charakterystycznych współczynników, dla typowych sygnałów elektrycznych kształt sygnału x(t) nazwa sygnału wartość skuteczna U wartość średnia x(t) współczyn-nik kształtu kk współczynnik szczytu ka Um sinusoidalny 0,707 Um 0,637 Vm prostokątny symetryczny bez składowej stałej 1 trójkątny

13 Metody pośredniego przesyłania informacjirodzaje modulacji modulacja fazy FM nośniki informacji fala elektromagnetyczna fala ciśnieniowa modulacja amplitudy modulacja częstotliwości modulacja liniowa modulacja kwadraturowa modulacja kodowana sposoby modulacji

14 Modulacja amplitudy

15 Modulacja częstotliwości i fazy

16 Elektromagnetyczne przesyłanie informacji. Rozprzestrzenianie się fal elektromagnetycznych: a. fale długie ( ) kHz, b. fale średnie 300 kHz-5 MHz, c. fale krótkie (5 - 50) MHz, d. fale ultrakrótkie i wyższe od 50 MHz antena nadawcza a b c d obszar jonosfery

17 Rodzaje emisji sygnałuemisja pełna z wytłumiona falą nośną DSB z jedną wstęgą SSB z górną wstęgą USB z dolną wstęgą LSB a. b. c. d. AM LSB USB pilot fali nośnej

18 Wpływ zakłóceń toru przesyłowego o modulacji częstotliwości i fazy naWpływ zakłóceń toru przesyłowego o modulacji częstotliwości i fazy na metrologiczne właściwości przesyłanej informacji

19 Zagadnienia, literaturaPrzepływ informacji w świecie źródłem rozwoju Wymień metody bezpośredniego przesyłania informacji. Wyjaśnij pojęcie wartości skutecznej. Podaj definicję wartości średniej. Omów media do pośredniego przesyłu informacji. Zagadnienia elektromagnetycznego przesyłania informacji Podstawy fizyczne modulacji amplitudy. Podstawy fizyczne modulacji częstotliwości. Zmienność współczynnika szumów dla podstawowych rodzajów modulacji Literatura: [1].Gregg W. David; Podstawy telekomunikacji analogowej i cyfrowej, WNT Warszawa r. [2].Sydenham P.H; Podręcznik metrologii, WKŁ Warszawa 1990.

20 Zadania systemu oszacowanie wartości wybór metody wybór środków opracowanie układu pomiar. opracowanie programu wybór zakresów porównanie odczyt obróbka wyników interpretacja wynikow sporządzenie wyników stop start korekta System pomiarowy - zestaw układów i urządzeń elektronicznych, dokonujący oceny wieloparametrowej badanego obiektu w sposób logicznie uporządkowany za pomocą zadanego programu . Wykorzystanie informacji Strumień informacji Człowiek Maszyna Rys. 1.A. Zdolność człowieka i systemu pomiarowego do analizy strumienia informacji

21 Zadania systemu Rys. 1.C. Zależności określające racjonalny stopień automatyzacji systemu: R - system ręczny PA - system półautomatyczny , A - system automatyczny

22 Klasyfikacja systemów pomiarowychUkład 1 porównania Układ 2 porównania Układ n porównania Wzorzec 1 Wzorzec 2 Wzorzec n Obiekt badany dane wartości ekstremalnych dobry/zły procesor Układ 1 porównania procesor Układ 2 porównania Układ n porównania Wzorzec 1 Wzorzec 2 Wzorzec n Obiekt badany Rys. 1.D. Schemat funkcjonalny systemu pomiarowego-badawczego Rys. 1.E. Schemat funkcjonalny systemu pomiarowo-kontrolnego Układ 1 porównania Układ 2 porównania Układ n porównania Wzorzec 1 Wzorzec 2 Wzorzec n Obiekt badany dane wartości ekstremalnych dobry/zły źródło sygnałów diagnostycznych procesor Rys. 1.F. Schemat funkcjonalny systemu pomiarowo-diagnostycznego

23 Klasyfikacja systemów pomiarowychsystemy aktywne, najczęściej wykorzystujące sprzężenie zwrotne, systemy pasywne, pozbawione możliwości oddziaływania na badany obiekt. Systemy pomiarowe posiadające własny komputer sterujący, można podzielić na: z obróbką danych, systemy bez obróbki danych. Ze względu na strukturę systemy pomiarowe można podzielić na: systemy o strukturze sztywnej ( gdzie przeważają rozwiązania narzędziowe, hardwerowe) systemy o strukturze elastycznej ( z przewagą rozwiązań programowych - softwarowe) W systemach z obróbką danych, , przetwarzanie danych może odbywać się: w czasie rzeczywistym- off - line, czyli równolegle ze zbieraniem danych, w czasie własnym w zamkniętej pętli - on - line, z pewnym opóźnieniem, w czasie własnym w otwartej pętli -in - line, z pewnym opóźnieniem

24 Budowa systemu pomiarowegoGłowica pomiarowa (adapter) Podstawka przejść Obiekt badany Zespół stymulujący Sterowania i programów przełączający pomiarowy oceny wyników Zasilacz Rejestratory i wskaźniki Interfejsy -zbieranie informacji, -przetwarzanie informacji, -transport informacji, -komunikacja z otoczeniem, -programowanie i sterowanie wewnętrzne. Rys. 1.G. Ogólny schemat blokowy systemu pomiarowego

25 Funkcje systemu pomiarowegoMikroprocesor spełnia w systemach pomiarowych dwie grupy funkcji sterująco-programujące i obliczeniowe: Automatyczne zerowanie i uwierzytelnianie - można uzyskać dokładność pomiaru najbardziej zbliżoną do dokładności własnego wzorca. Automatyczny wybór zakresu pomiarowego Przetwarzanie wyników pomiarów Przedstawianie w odpowiedniej formie wyników pomiarów – procedury tu występujące służą jednocześnie do sterowania urządzeniami zewnętrznymi współpracującymi z danym systemem pomiarowym.

26 Schemat blokowy przyrządu pomiarowego z mikroprocesorem.Konfiguracja systemów pomiarowych sekwencyjna gwiazdowa magistralowa pętlowa X We X/U A/C Przełącznik zakresów pomiar 3 8 2 MAGISTRALA Wy ROM P RAM interfejs operator Informacja może być transmitowana: szeregowo, równolegle, lub szeregowo-równolegle. Informacja w systemie przesyłana jest za pomocą sygnałów informacyjnych (wyniki, dane) i organizacyjnych (adresy, rozkazy).

27 Interfejs w systemie pomiarowym.Konfiguracja systemów pomiarowych konfiguracja sekwencyjna konfiguracja gwiazdowa konfiguracja magistralowa. konfiguracja pętlowa Informacja w systemie przesyłana jest za pomocą sygnałów: informacyjnych (wyniki, dane) i organizacyjnych (adresy, rozkazy). Informacja może być transmitowana: szeregowo, równolegle, lub szeregowo-równolegle.

28 11.5. Interfejs IEC - 625 Rys Kanał interfejsu między dwiema jednostkami Rys Struktura magistrli IEC - 625

29 Rys. 11.12. Typowe połączenie komputera (DTE) z modemem (DCE)Interfejs RS-232C Rys Struktura układu transmisyjnego z interfejsem RS-232C P Rys Typowe połączenie komputera (DTE) z modemem (DCE) W transmisji szeregowej, możemy wyróżnić trzy tryby przesyłania danych: tryb simpleks, w którym transmisja między dwoma urządzeniami odbywa się tylko w jednym kierunku, tryb półdupleks – transmisja dwukierunkowa, nie jednoczesna po jednej linii transmisyjnej, oraz tryb dupleks – transmisja dwukierunkowa, jednoczesna. Standard RS-232C umożliwia również transmisję danych dwoma rodzajami: transmisję synchroniczną, oraz transmisję asynchroniczną znakową.

30 Interfejs: RS-423A, RS-422A, RS-48511.13.Połączenie w interfejsie RS-423A z wykorzystaniem skrętki Rys Zrównoważony tor transmisyjny standardu RS-422A Określony w 1983 roku standard RS-485 jest rozszerzeniem standardu RS-422A. Rozszerzenie to dotyczy głownie możliwości dołączenia wielu nadajników do jednej linii transmisyjnej, oraz zwiększenia liczby odbiorników. Rys Przykład toru transmisyjnego w standardzie RS-485

31 Pytania: Porównaj możliwości analizy informacji przez człowieka i system pomiarowy Omów algorytm procesu pomiarowego Przedstaw zależności określające racjonalność stopnia automatyzacji systemu. Podaj klasyfikację systemów pomiarowych. Zadania komputerów w pomiarach Zadania mikroprocesora w systemie pomiarowym Schemat blokowy mikroprocesorowego systemu pomiarowego Wymień podstawowe konfiguracje systemów pomiarowych. Co to jest interfejs? Co to jest magistrala systemowa- charakterystyka? Wymień najważniejsze standardy interfejsów. Zasady łączenia urządzeń wejściowych z wyjściowymi Czym się różni transmisja synchroniczna od asynchronicznej? Literatura. [1] Winiecki Wiesław: Organizacja komputerowych systemów pomiarowych. Warszawa, OWPW 1997.