Pytania kontrolne:
advertisement
KSP’02 - pytania kontrolne:
1. Dokonać podziału czujników pomiarowych i krótko scharakteryzować każdą grupę.
2. Wyjaśnić różnicę pomiędzy czujnikami aktywnymi (generacyjnymi) i pasywnymi
(parametrycznymi). Podać przykłady czujników aktywnych i pasywnych.
Wprowadzenie
Do przekształcenia pewnej mierzonej wielkości nieelektrycznej na dogodny do pomiaru
sygnał elektryczny służy czujnik (zwany także przetwornikiem wejściowym).
Czujniki pomiarowe dzielimy na czujniki parametryczne (bierne) i czujniki generatorowe
(czynne).
Czujniki parametryczne - pod wpływem wielkości nieelektrycznej ulega zmianie parametr
elektryczny taki jak: oporność, indukcyjność, pojemność.
Czujniki generacyjne - pod wpływem zjawisk fizycznych powstają siły elektromotoryczne,
których wartość jest proporcjonalna do mierzonej wielkości.
Zestaw odpowiednio połączonych urządzeń pomiarowych umożliwiających pomiar
określonego parametru lub wielości nazywamy układem pomiarowym. Często jednak trudno
precyzyjnie określić różnicę pomiędzy układem a elementem, gdyż niektóre czujniki są
również układami.
Czujnik przepływu
Pomiary natężenia przepływu (cieczy lub gazu) opierają się na zasadzie spiętrzania i
dławienia przepływu, polega to na wbudowaniu do rurociągu organów spiętrzających i
dławiących, które wytwarzają pomiarowe spadki ciśnienia. Są to kryzy lub zwężki.
W wyniku zwężenia przekroju rury wytwarza się różnica ciśnień, przed i za zwężką. Pomiar
różnicy tych ciśnień umożliwia więc określenie natężenia przepływu.
Przepływomierz z tarczą naporową
Zasada działania:
Wewnątrz przewodu znajduje się tarcza, wokół której przepływa ciecz lub gaz. Różnica
ciśnień za i przed tarczą oraz przepływające cząsteczki wytwarzają siłę działającą na tarczę.
Siłę tą można zmierzyć. Na schemacie dokonuje się tego metodą kompensacji pneumatycznej.
Polega to na tym, że ciśnienie potrzebne do zrównoważenia (skompensowania) tej siły jest
KSP zaliczenie lab.
1 / 10
jednocześnie miarą natężenia przepływu.
Uwagi: Dokładność rzędu: 1%.
Termoprzepływomierz (termoanemometr)
Zasada działania:
Termorezystor RJ włączony w układ mostka, ogrzewany jest prądem elektrycznym
przepływającym przez niego. Natomiast chłodzony jest przepływającym materiałem (gaz,
ciecz). Przy braku natężenia przepływu temperatura termorezystora ma wartość powyżej
temperatury otoczenia. Przepływający czynnik powoduje obniżenie temperatury
termorezystora, co spowoduje zachwianie stabilności mostka.
Te zmiany możemy obserwować mierząc napięcie przy stałej wartości prądu lub przyrost
prądu potrzebnego do stabilizacji temperatury termorezystora.
Przepływomierz kalorymetryczny
Zasada działania:
Grzejnik ogrzewa przepływający w przewodzie gaz lub ciecz. Dwa termoelementy - jeden
przed grzejnikiem, drugi za - mierzą różnicę temperatur.
Różnica tych temperatur jest miarą natężenia przepływu. Warunkiem jest stała moc
dostarczana do grzejnika.
Uwagi:
Termoelement - jest to spoina dwóch różnych metali lub półprzewodników wytwarzająca
podczas jej ogrzewania stałą siłę elektromotoryczną, której wartość zależy od temperatury
spoiny.
KSP zaliczenie lab.
2 / 10
Przepływomierz ultradźwiękowy
Zasada działania:
Wykorzystuje się w nich zjawisko Dopplera. Drgania ultradźwiękowe odbierane są przez dwa
odbiorniki umieszczone w tej samej odległości od nadajnika. Sygnały otrzymane z
odbiorników są przesunięte w fazie. Wartość tego przesunięcia zależy prędkości rozchodzenia
się dźwięku w danym ośrodku.
Przepływomierze te nie wprowadzają spadków ciśnienia w rurociągu.
Uwagi: Dokładność rzędu: 1%.
Zjawisko Dopplera - polega ono na tym, że odbierana częstotliwość drgań (w tym przypadku
akustycznych) jest większa przy zbliżaniu się źródła drgań do obserwatora, a mniejsza przy
oddalaniu. Następuje zmiana odczuwalnej wysokości dźwięku przy wzajemnym
przemieszczaniu się źródła dźwięku i odbiorcy.
Przepływomierze wiatraczkowe
Zasada działania:
Ruch cieczy ewentualnie gazu powoduje obrót wiatraczka z prędkością proporcjonalną do
prędkości przepływu. Pracują one w połączeniu z licznikami.
Zastosowanie: wodomierze.
Czujnik wilgotności
Do wyznaczania wilgotności względnej powietrza używamy higrometrów i psychometrów.
Wilgotnością względną powietrza nazywamy masę pary wodnej w pewnej objętości
powietrza do masy pary potrzebnej do nasycenia tej objętości w tej samej temperaturze.
KSP zaliczenie lab.
3 / 10
Natomiast wilgotnością bezwzględną nazywamy masę pary wodnej zawartej w 1m3
powietrza.
Higrometr włosowy
Zasada działania:
Wykorzystywane jest tu zjawisko wydłużania się włosów ludzkich (lub nici syntetycznych)
ewentualnie także kurczeniu się pasemek bawełnianych pod wpływem wzrostu wilgotności.
Ta zmiana wywołuje przesunięcie wskazówki. Z podziałki odczytujemy wilgotność
względną.
Uwagi:
Podstawową zaletą tego czujnika jest prostota obsługi. Dokładność pomiaru wynosi od 3% do
5%. Temperatura pracy: do 0oC (włos ludzki).
Higrometr Daniella
Opis budowy:
Urządzenie to składa się z rurki szklanej (1) na końcach której znajdują się dwie kule (2,3).
Jeden termometr (6) umieszczony jest wewnątrz jednej z kul, która pokryta jest paskiem
polerowanego złota. Natomiast drugi (5) umocowany jest na stojaku. Kula (2) obwinięta jest
tkanina higroskopijną (pochłaniającą wodę). W kuli (3) znajduje się płynny eter, jego opary
wypełniają rurkę (1).
Zasada działania:
Po zwilżeniu eterem tkaniny higroskopijnej, nastąpi ochładzanie się par eteru wewnątrz kuli
(2). Wzrośnie parowanie eteru wewnątrz kuli (3). Obniży się temperatura płynnego eteru. Na
pasku złota pojawią się kropelki rosy. W tym momencie odczytujemy wskazania obu
termometrów. Wilgotność powietrza obliczamy ze wzoru:
gdzie P2 ciśnienie nasycenia pary w temperaturze t2, a P1 ciśnienie nasycenia pary w
temperaturze t1.Obie wartości odczytujemy z tablic.
Uwagi:
KSP zaliczenie lab.
4 / 10
Pomiary przy pomocy higrometru Daniella są bardzo dokładne, ale są dosyć uciążliwe.
Stosuje się je raczej w laboratoriach.
Higrometry absorpcyjne
Budowa:
Składa się z zestawu naczyń przez które przepuszczane jest powietrze. W zestawie pierwszym
(składającym się z dwóch naczyń) znajduje się substancja pochłaniająca parę wodną. Ilość
pochłoniętej pary określa się przez dokładne zważenie naczyń. Znając ilość badanego
powietrza można określić wilgotność bezwzględną. W kolejnym drugim zestawie (cztery
naczynia) powietrze jest ponownie nawilżane do określonej wartości. W ostatnim trzecim
zestawie (dwa naczynia) ponownie pochłaniana jest para wodna.
Stosunek pary pochłoniętej w pierwszym zestawie do pary pochłoniętej w trzecim zestawie
jest wilgotnością względną badanego powietrza.
Uwagi:
Z powodu bardzo uciążliwej obsługi stosuje się je do sprawdzania pomiarów laboratoryjnych.
Psychometr Augusta
Opis budowy:
Czujnik ten składa się z dwóch identycznych termometrów (mają te same zakresy pomiarowe,
dokładności wskazań, budowę, itp.). Jeden z nich zwilżany jest wodą destylowaną (nazywany
jest mokrym).
Zasada działania:
Ciecz odparowując z powierzchni termometru powoduje jego oziębienie. Im mniejsza jest
wilgotność względna tym szybsze parowanie wody i tym większa różnica wskazań
termometrów. Korzystając z tablic psychometrycznych odczytujemy wynik.
Uwagi:
Trudność sprawia tu określenie prędkości przepływu gazu wokół termometrów, co powoduje
duże błędy pomiaru (ok.15%). Dokładniejszy pomiar wilgotności można uzyskać stosując
psychometry z wymuszonym obiegiem powietrza tzw.: psychometry aspiracyjne.
Termometry znajdują się w specjalnych rurkach. Wentylator zapewnia stałą określoną
prędkość przepływu powietrza.
Czujniki poziomu
Do pomiaru poziomu stosuje się oprócz mechanicznych czujników również elektryczne
metody pomiarowe.
KSP zaliczenie lab.
5 / 10
Pneumatyczny czujnik poziomu
Opis budowy:
W zbiorniku (1) znajduje się ciecz (2), w której zanurzona jest rurka (3). Do zbiornika
podłączony jest miernik ciśnienia (4).
Zasada działania:
Powietrze pod ciśnieniem pzas jest doprowadzane do rurki i przechodząc w postaci
pęcherzyków przez warstwę cieczy wydostaje się do atmosfery. W zależności od poziomu
cieczy występuje większy lub mniejszy spadek ciśnienia. Miernik ciśnienia wskazuje różnicę
ciśnień odpowiadającą poziomowi cieczy w zbiorniku.
Uwagi:
Jako miernik ciśnienia stosuje się wagi pierścieniowe.
Pomiar poziomu cieczy czujnikiem rezystorowym
Zasada działania:
Pływak P przesuwa styk ślizgowy czujnika, którego rezystory R1,R2 są przyłączone do
logometru. Rezystory R1d i R2d służą do dostosowania podziałki miernika do rozmiarów
zbiornika, aby na podziałce można było odczytywać wynik pomiaru w litrach.
Uwagi:
Błąd pomiaru 5-10%. Stosuje się takie układy czujników np.: w zbiornikach paliwa w
samolocie.
KSP zaliczenie lab.
6 / 10
Pojemnościowy pomiar poziomu
Zasada działania:
W zbiorniku umieszczona jest jedna elektroda, drugą elektrodą jest zazwyczaj ścianka
zbiornika. Zmiana poziomu substancji w zbiorniku powoduje zmianę pojemności tak
utworzonego kondensatora.
Uwagi:
Czujnik ten używany jest do pomiaru poziomu ciał sypkich. Ma niewielką dokładność.
Czujnik indukcyjny
Zasada działania:
Wykorzystuje się tu zjawisko indukowania prądów wirowych. Ze zmianą poziomu cieczy,
zmienia swe położenie pływak, a więc i umieszczony na rdzeniu czujnika pierścień metalowy
niemagnetyczny P . Zmienia się wtedy wartość indukowanych prądów wirowych w
pierścieniu i rezystancja cewki. Powoduje to zachwianie stabilności mostka i przepływu przez
galwanometr prądu zależnego od poziomu cieczy.
Uwagi:
Prądy wirowe - prądy wzbudzane wewnątrz ciał ferromagnetycznych (o dużej przenikalności
magnetycznej) o dużej masie, które przewodzą zmienny strumień magnetyczny.
KSP zaliczenie lab.
7 / 10
Galwanometr - przyrząd pomiarowy umożliwiający pomiar bardzo słabych prądów
elektrycznych.
Czujnik poziomu z zastosowaniem izotopów promieniotwórczych
Opis budowy:
1 - zbiornik z cieczą lub ciałem sypkim; 2 - źródło promieniowania; 3 - odbiornik
promieniowania; 4 - wzmacniacz z przełącznikiem; 5 - silnik.
Zasada działania:
Promieniowanie wysyłane przez źródło jest częściowo pochłaniane przez substancję. Jeśli jej
poziom zwiększy się lub zmniejszy to nastąpi zmiana promieniowania docierającego do
odbiornika. Za pośrednictwem wzmacniacza i przełącznika następuje włączenie silnika, który
przesuwa źródło i odbiornik wzdłuż prowadnic, aż do osiągnięcia poprzedniego stopnia
promieniowania.
3. Zdefiniować błąd liniowości i omówić graficzną metodę wyznaczania tego błędu na
przykładzie nieliniowej charakterystyki statycznej.
4. Wymienić i omówić metody linearyzacji charakterystyk statycznych.
5. Omówić metody wyznaczania właściwości dynamicznych przetworników i sygnały
stosowane do tego celu.
6. Narysować odpowiedź skokową przetwornika I rzędu i zaznaczyć jej parametry.
7. Omówić wyznaczanie parametrów przetwornika I rzędu na podstawie odpowiedzi
skokowej.
8. Podać twierdzenie o próbkowaniu i zasady doboru częstotliwości próbkowania.
Termin ten oznacza prowadzony z określoną częstością pomiar amplitudy sygnału.
Częstotliwość próbkowania odnosi się do liczby pomiarów przeprowadzanych w ciągu
sekundy i jest wyrażona w Hertzach (Hz). Istnieje prosta zależność między częstotliwością
próbkowania a jakością nagrania. Można założyć, że im jest większa, tym wierniej
odzwierciedlany jest sygnał wejściowy. Aby poprawnie spróbkować sygnał należy zgodnie z
kryterium Shannona-Kotelnikowa dokonać tego z częstotliwością dwukrotnie większą
(w praktyce 2,5) niż maksymalna harmoniczna występująca w sygnale próbkowanym.
od Aśki: Tw. o próbkowaniu (Kotielnikowa-Shannona)
Niech x(t) będzie sygnałem, którego widmo X() spełnia warunek X()=0, dla
KSP zaliczenie lab.
8 / 10
| | m. Sygnał x(t) jest równoważny zbiorowi swoich próbek odległych od siebie o
stały przedział T/m , tzn.: x(t){x(nT): n=0,1, ... T/m}
Inaczej: jeżeli w widmie sygnału nie występują składowe powyżej pewnego progu,
tzn. jeśli sygnał jest sygnałem o ograniczonym pasmie, oraz jeżeli próbki tego
sygnału są pobierane dostatecznie gęsto, to znając jedynie zbiór próbek sygnału
pobieranych co przedział czasu T i nie mając informacji o pozostałych wartościach
sygnału jesteśmy w stanie te pozostałe wartości odtworzyć. W sytuacji gdy są
spełnione oba warunki, sygnał można odtworzyć na podstawie próbek, czyli
wyznaczyć jego wartości między punktami próbkowania z pełna dokładnością.
9. Omówić zjawisko aliasingu (odbicia widma) sygnałów i przyczyny jego powstawania.
W przypadku nie spełnienia kryterium Shannona-Kotelnikowa tzn. próbkowania sygnału z
częstotliwością mniejszą niż dwukrotność częstotliwości maksymalnej harmonicznej
prowadzi do powstawania zjawiska aliasingu. Polega ono na tym, że sygnał próbkowany ze
zbyt małą częstotliwością jest interpretowany jako sygnał o mniejszej częstotliwości
10. Na czym polega zjawisko aliasingu sygnałów w dziedzinie czasu i częstotliwości?
11. Jak można zapobiegać powstawaniu zjawiska aliasingu?
Aby zlikwidować zjawisko aliasingu należy zwiększyć częstotliwość próbkowania lub
zastosować filtry antyaliasingowe ograniczające pasmo do połowy częstotliwości
próbkowania sygnału. Filtry takie umieszczane są przed przetwornikiem A/C.
12. Dany jest przebieg prostokątny o częstotliwości 20 Hz. Dobrać częstotliwość
próbkowania, aby uzyskać prawidłowe odwzorowanie w dziedzinie częstotliwości
pierwszych 7 składowych widma tego sygnału.
13. Dany jest przebieg harmoniczny będący sumą sinusoid o częstotliwościach: 30, 60 i
180 Hz i jednakowych amplitudach. Narysować przebieg widma amplitudowego
(jednostronnego) po spróbkowaniu ww. przebiegu z częstotliwością 100 Hz.
14. Podać definicje wartości średniej, wariancji i odchylenia standardowego oraz
zależności służące do wyznaczania tych wielkości na podstawie N wartości (próbek)
sygnału dyskretnego x(n).
15. Wymienić podstawowe stosowane obecnie metody przetwarzania A/C i porównać ich
główne właściwości.
Metody bezpośrednie i pośrednie. W metodach bezpośrednich następuje od razu
porównanie wielkości przetwarzanej z wielkością do której się odnosimy. Podczas metody
pośredniej odbywa się zamiana wielkości przetwarzanej na pewną wielkość pomocniczą (np.
czas lub częstotliwość), porównywaną następnie z wielkością odniesienia. W zależności od
rodzaju wielkości pomocniczej wyróżnia się metodę częstotliwościową i metodę czasową
(prostą lub z 2-krotnym całkowaniem). Powyższy podział metod jest oparty na kryterium
zasady przetwarzania. Drugim ważnym kryterium jest kryterium czasu, w którym odbywa się
przetwarzanie. Pod tym względem metody przetwarzania można podzielić na metody
chwilowe oraz metody integracyjne.
Najbardziej powszechnymi metodami są:
a) metoda bezpośredniego porównania (równoczesna komparacja)
b) metoda sukcesywnej komparacji (komparacja szeregowa)
c) metoda całkująca
metoda najbardziej odporna na zakłócenia ale najwolniejsza, elastycznie można skrócić
czas trwania pomiaru kosztem rozdzielczości, bardzo dobra liniowość
KSP zaliczenie lab.
9 / 10
16. Jak oblicza się rozdzielczość przetwornika A/C i wartość najmniej znaczącego bitu
(lsb)?
rozdzielczość wyraża najmniejszą wielkość sygnału wejściowego rozróżnialną przez
przetwornik q= Ufs/2^n.
17. Z czego wynika i jak oblicza się błąd kwantyzacji przetwornika A/C.
błąd kwantyzacji określa różnicę między wartością cyfrową (wynikiem kwantowania) a
wielkością analogową wielkości mierzonej, wynika z istoty procesu kwantowania. Zbiór
dopuszczalnych wartości jest podzielony na N przedziałów q .Powoduje to niejednoznaczność
pomiędzy N a napięciem mierzonym U1 , gdyż pewnej liczbie N na wyjściu przetwornika
odpowiada wiele rzeczywistych wartości U1 z przedziału U1+- q/2.
max = 0,5 lsb
lsb = q = U/2b
U- pełny zakres napięcia
b – długość słowa
np dla zakresu 0-10V przy b=8 q=10/28
18. Co to jest szum kwantyzacji przetwornika A/C i jak oblicza się jego wariancję?
wariacja szumu kwantyzacji:
2szumu A/C = q2/12
19. Zdefiniować wyjściowy stosunek sygnału do szumu (SNR) przetwornika A/C.
Wyjściowy stosunek sygnału do szumu (SNR) przetwornika definiujemy jako:
SNRA/C = 10 log(2sygnału /2szumu A/C)
20. Przedstawić podział metod uśredniania sygnałów w dziedzinie czasu i częstotliwości.
Metody uśredniania: koherentne (synchroniczne) i niekoherentne (niesynchroniczne).
Pierwsze stosuje się do uśredniania sygnału w dziedzinie czasu, drugie do
uśredniania w dziedzinie częstotliwości.
21. Na czym polega uśrednianie koherentne sygnałów w dziedzinie czasu i kiedy może
być zastosowane?
Uśredniania koherentne sygnału, to uśrednianie synchroniczne. Synchronizacja w
dziedzinie czasu szumu i sygnału. Stosuje się je wtedy gdy zaszumiony sygnał jest
okresowy.
22. Jaki typ uśredniania w dziedzinie czasu i częstotliwości należy zastosować do
wykrywania sygnałów okresowych ukrytych w szumie i dlaczego?
Synchroniczny. Bo tylko taki daje efekt w poszukiwaniu sygnałów okresowych.
Uwaga: w dziedzinie częstotliwości , do wykrycia sygnału potrzeba mniej uśrednień,
niż w dziedzinie czasu.
KSP zaliczenie lab.
10 / 10
