POLITECHNIKA RZESZOWSKA im. Ignacego Łukasiewicza

POLITECHNIKA 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 35-959 Rzeszów,
rylski @prz.edu.pl
http://rylski.sd.prz.edu.pl/
Przetworniki pomiarowe
1.
Karta przedmiotu
2.
Ogólny schemat blokowy przyrządu pomiarowego
3.
Obliczanie błędu w pomiarach pośrednich
4.
Obliczanie błędu w pomiarach pośrednich
5.
Zakłócenia
15. Woltomierz wektorowy do pomiaru składowej czynnej i
biernej
6.
Konstrukcja strony pierwotnej zasilacza
16. Przesyłanie sygnału chrominancji.
7.
Przetwornik pierwotny
17. Praktyczny układ detektora
8.
Przetwornik pierwotny modele
18. Generatory funkcji- przetwornik wartości średniej
9.
Przetwornik pierwotny transduktor, kontaktron
19. Generator funkcji – selektor sygnałów
10.
Układy normalizujące
20. Generator funkcji x2 oraz jej funkcji odwrotnej
11.
Przetworniki AC/DC, całkujący, selektywny
21. Generator funkcji obliczającej wartość skuteczną
12.
Pole odczytowe - przetwornik sygnał elektryczny /
informacja optyczna
22.
13.
Woltomierz magneto-elektryczny
14.
Przetworniki U/U – detektor synchroniczny
13. Model wektorowy Model wektorowy
14. Zastosowanie detekcji synchronicznej
Pytania, literatura
Ogólny schemat blokowy przyrządu pomiarowego.
we
Przetwornik pomiarowy
(funkcyjny)
dzielnik
k1 k1M , k1A,
Przetwornik normalizacyjny
wzmacniacz
k2 k2M , k2A,
Rys. Schemat blokowy przyrządu pomiarowego .
Właściwości statyczne:
S – czułość przyrządu
C=1/S – stała przyrządu
Dx – dokładność przyrządu
Dnx - błąd nieczułości
x  k1 k 2  k3   S 
Dx 
x  k1 k 2  k 3  N  S  N
x(k1, k 2.k 3)
Dk1, Dk 2, Dk 3
k1k 2k 3
D n  lim Dx
D 0
Przyrząd
wskazujący,
miernik
k3 k3M , k3A,
Obliczanie błędu w pomiarach pośrednich

Zadanie 1
Oblicz wartość błędu pomiaru pośredniego
rezystancji, który wykonano metoda techniczna
przez pomiar prądu płynącego przez rezystor i
spadku napięcia na nim.
x  k1  k 2  k 3
x  f (k1, k 2, k 3)  x(k1, k 2, k 3)
Dx 
x(k1, k 2, k 3)
Dk1, Dk 2, Dk 3
k1k 2k 3
U
I
R  R(U , I )  f (U , I )
R
DR 
R(U , I )
DU , DI 
UI
U
U
( )
I  DU 
I  DI 

U
I
( )
1
U
 DU   2  DI 
I
I
1
U
  DU  2  DI
I
I

1
U
 DU  2  DI
DR
I
R 
100  I
100 
U
R
I
1
U
 DU
 DI
2
 I
100  I
100 
U
U
I
I
DU
DI

100 
100  U  I
U
I
Schemat blokowy przyrządu pomiarowego [5], str. 31
przetworni
k
pierwotny
układ
pomiarowy
dzielniki
źródło
sygnału
odniesienia
wzmacniacz
AC/DC
zasilacz
układ
sterowania
wzmacniacz
całkujący
A/C
transkoder
pole
odczytow
e
separator
Schemat blokowy przyrządu pomiarowego
wzmacniacz
prze ukł. dziel
tpier pom niki
.
.
źr.
syg.
odn.
tran
AC/ wzm.
DC całk. A/C skoder
masa analogowa
masa cyfrowa
zasilanie układów cyfrowych
zasilanie układów analogowych
220V,
50Hz
stabilizator
napięcia
Schemat zasilacza napięcia stałego
ukł.
ster.
sep
arato
r
pole
odcz
ytow
e
Zakłócenia
Konstrukcja strony pierwotnej zasilacza
Przetwornik pierwotny, [5], str. 162
Przetworniki pierwotne są to układy przetwarzające różne sygnały na
elektryczne - tym zajmuje się technika sensorowa oraz sygnały nieelektryczne
na sygnały napięciowe itp., które są przedmiotem zainteresowania w obszarze
miernictwa wielkości nieelektrycznych [2].
B
EE
EH
UH
S
N
I1
Rys. Indukcyjny czujnik rotacji z magnesem stałym
U1
Rys. Czujnik Halla
F  q  E  q[v  B]
Gdzie:
q- ładunek elektryczny przewodnika
v- szybkość przemieszczania się ładunku
E- natężenie pola elektrycznego
B- gęstość strumienia magnetycznego (prostopadłego do kierunku
ruchu ładunku elektrycznego)
Przetwornik pierwotny modele
Czujniki magnetyczne położenia wału
korbowego Cinquecento 900
Przetwornik pierwotny transduktor, kontaktron
Uw yj
a)
x
Iex
N
Uw yj
B0
wł
y
y
Iex
Uw yj
x
S
b)
wył
wł
wł
B0
wył
c)
Iex
B0
Rys. Kształty rdzeni czujników transduktorowych: a)
dwuprętowy, b) pierścieniowy, c) ze wzdłużnym rdzeniem
zamkniętym.
Rys Zestyki kontaktronowe: strefy przełączania dla
magnesu równoległego do osi czujnika.
Układy normalizujące [5] str. 34
Dzielniki normalizujące sygnał
rezystancja wejściowa (Ro - rezystancja obciążenia):
Rwe = R1 + R2 Ro
R1
u1
podział napięcia:
u2
R2
(1.36)
kU 
U2
R2

U1 R 1  R 2
(1.37)
Rys.1.14. Schemat dzielnika napięcia
skompensowanego częstotliwościowo
Wzmacniacze normalizujące sygnał

u1
R2
u1

R3
Rr
u2
R2

R1
u2

R1
R3
Rys.1.16. Schemat wzmacniacza nieodwracającego
Rys.1.15. Schemat wzmacniacza odwracającego
Rwe  R1
(1.38)
R
kU   2
R1
(1.39)
R we 
R3  Rr
R3  Rr
(1.40)
kU  1
R2
R1
(1.41)
Przetworniki AC/DC, całkujący, selektywny [5] str. 37
u1
R2
0
t
U2
D1
u

U1
R1
U

0
t
u2
R3
D2
R4
0
t
Rys.1.18. Przebiegi czasowe napięć
w zaznaczonych punktach układu
Rys.1.17. Schemat dokładnego detektora jednopołówkowego
C
C
C
0,5R
R2
u1

R1
R
R
u2

2C
R3
u1
u1
-u2

R1
u2
R2
t
Rys.1.19. Schemat wzmacniacza całkującego
u2

u1
o 
1
RC
(1.44)
Rys.1.21. Schemat wzmacniacza selektywnego
Pole odczytowe - przetwornik sygnał elektryczny / informacja optyczna [5]
str. 41
Rodzaje pól odczytowych
a napięcie – przesunięcie
b
Błąd addytywny
Względna:
kl  
c
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1
0
D gr
xn
 100
bezwzględna
D gr  
napięcie - wyświetlona wartość
c.
a. liczbowa, b.
Błąd
multiplikatywny
kl
 xn
100
Względna:
 dyn  
D dy
Nn
100
 dy  
D dy
N
100
-
bezwzględna
D dy  
 dyn
100
 Nn
D dy  
 dy
100
N
Woltomierz magneto-elektryczny
Przetworniki U/U [5] str. 44
Detektory synchroniczne
Uw=U1
t
U1 - napięcie odniesienia;
U2 - napięcie mierzone;
U3 - napięcie po detektorze synchronicznym;
UDS napięcie sterujące uformowane z sygnału odniesienia
 0 0  t  
u DS (t )  
 1   t  2
U2
(2.1)
t
Analogowe układy elektroniczne realizujące funkcje matematyczne na
przykład takie jak:
UDS




wyznaczenie z sygnału mierzonego wartości rzeczywistej lub urojonej detektory synchroniczne,
uzależnienie sygnału wyjściowego od wartości średniej - przetwornik
wartości średniej,
uzależnienie sygnału wyjściowego od wartości skutecznej - przetwornik
wartości skutecznej,
i inne jak generatory funkcji nieliniowych: logarytmiczne, kwadratowe,
pierwiastkowe.
0
1
t
U3
t
Rys. 2.1. Zasada pracy detektora synchronicznego
Model wektorowy [5] str. 45
Im
Im



ImU2

U2
UDS


ReU2
u1  U1m sin   t
u 2  U 2 m sin   t    U 2 m  e
U3
Re
Re
jt   
 U 2 m cos  t    jU 2 m sin   t  
0  t    0    t  
u DS  
1  t        t  2  
(2.2)
(2.3)
Rys.2.4. Model wektorowy sygnału odniesienia
Rys.2.3. Model wektorowy mierzonego sygnału U2
(2.5)
U3=U2 *UDS
u 3  U 2 m sin t  u DS (t )  cos    j  U 2 m sin t  u DS (t )  sin   
0  t   , gdy 0    t  
u 3  U 2 m  cos  t    jsin   t   
1  t   , gdy     t  2  
(2.6)
(2.7)
U3 - ma tylko składową rzeczywistą sygnału po scałkowaniu dla  =0
2
U3 
1
1
U 2 m sin t  cos dt 
 U 2 m cos t  cos 

2 
2
2


U 2m
 cos 

(2.8)
U3 -jest proporcjonalny tylko do składowej biernej sygnału dla  =P/2
U3 
U 2m

 sin 
(2.4)
(2.10)
Zastosowanie detekcji synchronicznej [5] str. 47
F
Rys.2.5. Model pracy
przetwornika tensometrycznego
l
s
l  roś nie  R  roś nie
R
(2.11)
C
C
Rys.2.6. Elementy pasożytnicze w modelu
przetwornika tensometrycznego
Woltomierz wektorowy do pomiaru składowej czynnej i biernej [5], str. 49
U1 sin(  t)
+
G
Uw
f/2
k1
f/2
k2
f/2
-

=0
DS
A/C
D
POR
UR
+
-
DS
A/C
D
 =/2
U1 sin(2  t)
POX
Ux
Ux
Rys.2.9. Schemat układu woltomierza wektorowego do pomiaru składowej
czynnej i biernej
Ua
Ub
Uc
Rys2.10. Przebiegi czasowe w bloku przesuwnika fazy  / 2
Ud
/2
t
Przesyłanie sygnału chrominancji, [5], str. 51

Uu

Uv
L(t)
f  4,43 MHz.
Rys.2.11. Wektorowy obraz sygnału po modulatorze koloru
S y g n a ł k o lo ru
a
b u rst
f  8,86 MHz.
1 p a sa p io n o w e g o
2 p a sa p io n o w e g o
f  4,43 MHz.
b
3 p a sa p io n o w e g o
Im p u ls
sy n c h ro n iz a c ji
lin ii
Rys.2.13. Obraz z oscyloskopu („ a” ) sygnału jednej linii dla obrazu z trzema pasmami kolorowymi („b”)
Praktyczny układ detektora [5], str. 52
U2
R
UDS
RB
U3
T
0
Rys.2.14. Podstawowy układ pracy klucza w
detektorze synchronicznym
0 
T
Rys.2.16. Błąd w detekcji synchronicznej spowodowany
różnymi opóźnieniami toru sygnału mierzonego i odniesienia
Rys.2.15. Rysunki przebiegu sygnałów w detektorze synchronicznym
Generatory funkcji,
przetwornik wartości średniej, [5] str.56
C
R
R
U2
D1
U1
R




R
D2
R
R
•Rys.2.17.Schemat przetwornika wartości średniej modułu sygnału
T
1
x   x t  dt
T0
1
x
T
k
x
T
(2.21)
T
 xt dt
(2.22)
0
T

0
x ( t ),dlax( t )0
0,dlax( t )0
dt,.....k  2
(2.23)
U3
Generatory funkcji – selektor sygnałów [5] str.63
U01
R2
R1
U01
+
U1
U1
D1
U02
D2
R3
U1
U02
•Rys . 2.26. Selektor sygnałów różnych polaryzacji
U
A.
U1
U2
+
U3
U
R
-Uz
Rys . 2.27.Układ wybierania wartości maksymalnej z kilku sygnałów :
A . schemat układu ,
B . przykładowe przebiegi napięć wejściowych i wyjściowego
t
Generator funkcji x2 oraz jej funkcji odwrotnej [5], str. 66
R1
U
R2
D1
+
R3
R4
D2
R3
U2
D2
R4
R5
U2
D3
R4
R5
R4
D1
R2
R
R5
D3
R5
Di
Rn
Rn+1
Rn
U
Di
Rn+1
U
R
Uz
U
+
U2
2
Ri
Uz
•Rys .2 .29 . Schemat ideowy generatora funkcji x2
zbudowanego z elementów z uziemioną diodą (dla jednego
kierunku napięć wejściowych )
• Rys .2 .30 . Schemat ideowy generatora funkcji x0,5
zbudowanego z elementów z uziemioną diodą (dla
jednego kierunku napięć wejściowych )
U
Generator funkcji obliczającej wartość skuteczną [5], str. 70
CA
_
V
+
1
VIN
R1
50
0
14
wartość
bezwzględna
+VS
2
13
+VS
zero
3
-VS
12
do
kwadratu
4
11
uśrednienie
5
10
6
9
VOUT
7
bufor
25k
25k
8
•Rys.2.34.Schemat blokowy układu
scalonego przetwornika wartości
skutecznej TRUE RMS
R4
50k
-VS
R3
470
k
R2 249
Pytania, literatura
Pytania:
Omów budowę toru pomiarowego.
Jakie wymogi normy bezpieczeństwa ma spełniać strona pierwotna zasilaczy.
Wymień podzespoły elektrycznych urządzeń pomiarowych.
Omów układy i właściwości wzmacniaczy normalizujących sygnał.
Omów układ dokładnego przetwornika AC/DC.
Wymień pola odczytowe i podaj ich niepewność odczytu.
Zasada pracy i właściwości detektora synchronicznego.
Omów detektor synchroniczny składowej czynnej.
Omów detektor synchroniczny składowej biernej.
Przedstaw zastosowanie detekcji synchronicznej w układach niezrównoważonych mostków tensometrycznych.
Przedstaw zastosowanie detekcji synchronicznej w układach niezrównoważonych mostków indukcyjnościowych.
Budowa i właściwości woltomierza wektorowego.
Wykorzystanie klucza tranzystorowego w detektorze synchronicznym.
Błędy w detektorze synchronicznym.
Budowa i właściwości przetwornika wartości średniej.
Przetwornik logarytmujący.
Przetwornik funkcji kwadratowej.
Przetwornik pierwiastkujący.
Precyzyjny przetwornik modułu sygnału.
Selektor sygnałów różnych polaryzacji.
Układ detektora wartości maksymalnej.
Właściwości metrologiczne przetwornika TRUE RMS AD 536J.
Zasada pracy układu mnożącego z modulacją impulsową.
Literatura:
[1].Kulka Z., Nadachowski M.;Liniowe układy scalone i ich zastosowanie. WKŁ, Warszawa 1985r.
[2]. Katalog Analog Devices 1995
[3]. Mędrzycki J.;Technika analogowa i hybrydowa. WNT Warszawa 1974.
[4]. Maasapura Mika, JFET improves peak detector’s accuracy, EDN, str 195 April 15, 1993r.
[5].Rylski A., Metrologia II prąd zmienny. OWPRz Rzeszów 2004
[6]. Chwaleba A., Czajewski J., Przetworniki pomiarowe wielkości fizycznych, oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej 1993.
[7]. Chwaleba A., Poniński M., Siedlecki A., Metrologia elektryczna WNT Warszawa 1994.
[8]. Czajewski J., Poński M., Zbiór zadań z metrologii elektrycznej WNT Warszawa 1995.
[9]. Sydenham P.H., Podręcznik metrologii, WKŁ Warszawa 1990.
[10]. Gregg W. David; Podstawy telekomunikacji analogowej i cyfrowej, WNT Warszawa 1983r.