podstawy teoretyczne - Wojskowa Akademia Techniczna

Podstawy Badań Eksperymentalnych
Katedra Pojazdów Mechanicznych i Transportu
Wojskowa Akademia Techniczna
Instrukcja do ćwiczenia.
Temat 00
PODSTAWY TEORETYCZNE
Instrukcję opracował
dr inż. Mirosław KARCZEWSKI
Warszawa, Listopad 2006
I PODSTAWY TEORETYCZNE
1.1. Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych
Obecny zakres pomiarów elektrycznych, zwłaszcza dzięki zastosowaniu układów
elektronicznych znacznie rozszerzył się zarówno w dziedzinie pomiarów wielkości
elektrycznych, jak i nieelektrycznych w tym w szczególności: mechanicznych, cieplnych,
elektrochemicznych, akustycznych itp. Wskutek tego miernictwo elektryczne wielkości
nieelektrycznych staje się poważna dziedziną nauki i techniki o dużym znaczeniu
gospodarczym. Można powiedzieć, że pod względem problematyki, różnorodności rozwiązań
oraz zakresu stosowania zagadnienia dotyczące tego miernictwa znacznie przekraczają
zagadnienia miernictwa elektrycznego wszelkich jego postaciach.
Obecnie niemal we wszystkich działach nauki i techniki posługujemy się pomiarami
elektrycznymi wielkości nieelektrycznych. W przemyśle miernictwo elektryczne wielkości
nieelektrycznych usprawnia kontrolę produkcji, przyczynia się do podnoszenia jakości
produkcji i uzyskiwania znacznych oszczędności czasu. Ułatwia ono centralną kontrolę
procesów
produkcyjnych,
umożliwia
dokonywanie
pomiarów,
szeregu
wielkości
nieelektrycznych w miejscach niedostępnych w czasie produkcji, sygnalizuje zaburzenia w
produkcji itp.
Stale wzrasta automatyzacja produkcji i wyposażenie fabryk w sprzęt służący do
pomiarów
wielkości
nieelektrycznych
przy
zastosowaniu
metod
elektrycznych.
Zautomatyzowane urządzenia zastępują człowieka na stanowisku wymagającym znacznego
wysiłku fizycznego lub w warunkach szkodliwych dla zdrowia.
Równie ważną rolę odgrywa miernictwo elektryczne wielkości nieelektrycznych w
zakresie higieny i bezpieczeństwa pracy, jak również w przechowywaniu i konserwacji
urządzeń i gotowych wyrobów.
1.2 Dziedziny zastosowania pomiarów elektrycznych wielkości nieelektrycznych
Jak już wspomniano pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych znajdują
zastosowanie niemal we wszystkich gałęziach nauki i techniki, zwłaszcza w fizyce, chemii,
astronomii,
meteorologii,
geologii,
biologii,
medycynie,
komunikacji,
nawigacji,
elektrotechnice, łączności, energetyce, w przemyśle rolniczym, leśnym, hodowlanym,
przetwórczym, fermentacyjnym, metalowym, hutniczym, górniczym itp.
Jako główne wielkości nieelektryczne są mierzone:
1
1.
Czas i częstotliwość - czas trwania zjawiska, kolejność lub jednoczesność zjawisk,
częstotliwość zjawisk i przebiegów okresowych, ilość przedmiotów lub zjawisk
zachodzących w danym czasie,
2.
Wymiary geometryczne - długość, odległość, grubość, wysokość, poziom, chropowatość
powierzchni, objętość, kąty, położenie w przestrzeni,
3.
Siły i momenty sił (statyczne lub dynamiczne, liniowe, obrotowe) obciążenia, ciężary,
siły rozłożone lub skupione, momenty gnące, skręcające, naprężenia powierzchniowe,
4.
Ciśnienia (statyczne, udarowe) - stan próżni, ciśnienia względne i bezwzględne, ciśnienia
akustyczne,
5.
Prędkości i przyspieszenia (liniowe, obrotowe), nierównomierność biegu,
6.
Moc, praca, energia, sprawność (mechaniczna, cieplna),
7.
Ciepło - ilość ciepła, przepływ ciepła, temperatura,
8.
Energia świetlna - strumień, natężenie, jasność, jaskrawość promieniowania, ilość
substancji w roztworze (kolorymetria) i ilość cząstek w cieczach i gazach,
przezroczystość ciał, skład substancji (analiza spektralna),
9.
Własności fizykochemiczne materii - zawartość domieszek, izotopów, kwasowość (pH),
zawartość spalin i gazów, wilgotność, zawartość soli lub węgla (stopień grafityzacji),
lepkość itp.
Ponadto
miernictwo
elektryczne
wielkości
nieelektrycznych
obejmuje
badania
niejednorodności strukturalnej (defektoskopia), wyznaczanie położenia obiektów (wraków,
źródeł podziemnych, warstw geologicznych).
1.3. Zasady pomiarów wielkości nieelektrycznych metodami elektrycznymi
Pomiary wielkości nieelektrycznych metodami elektrycznymi są wykonywane na
podstawie przekształcenia wielkości nieelektrycznych w wielkości elektryczne. Uzyskuje się
to przez zastosowanie specjalnego urządzenia - czujnika. Czujnik, wskutek działania na niego
wielkości nieelektrycznej, powoduje zmianę: rezystancji, indukcyjności, pojemności,
natężenia prądu, napięcia, częstotliwości, przesunięcia fazowego, lub też wytwarza energię
elektryczną, której parametry są zależne od mierzonej wielkości nieelektrycznej. Czujniki
pierwszego rodzaju są nazywane czujnikami parametrycznymi, a drugiego rodzaju czujnikami
generacyjnymi. Czujnikami generacyjnymi, dostarczającymi energii elektrycznej, są np.
ogniwa termoelektryczne, ogniwa fotoelektryczne, ogniwa specjalne, kryształy kwarcu itp.
W zasadniczym układzie do pomiaru wielkości nieelektrycznej mierzona wielkość
nieelektryczna X działa na czujnik, który powoduje zamianę wielkości nieelektrycznej na
2
wielkość elektryczną Y, mierzoną przez miernik elektryczny wyskalowany w mierzonych
jednostkach nieelektrycznych.
Stosowany jest również układ pomiarowy, w którym wielkość nieelektryczna X jest
mierzona najpierw przy zastosowaniu metody nieelektrycznej. Miernik nieelektryczny Mn
powoduje zmianę wielkości elektrycznej. Otrzymana wielkość elektryczna Y jest następnie
mierzona przy zastosowaniu metody elektrycznej.
Ponadto stosuje się układy o kilkakrotnej zamianie wielkości nieelektrycznej, w celu
uzyskania najwygodniejszego oddziaływania pośredniczącej wielkości nieelektrycznej na
wielkość elektryczną. Wynika stąd, że układy służące do pomiaru wielkości nieelektrycznych
zawierają kilka części składowych (członów).
W ogólnym przypadku w skład układu pomiarowego, w którym wykorzystuje się
czujnik, wchodzą: pomocnicze źródło zasilania prądu stałego lub przemiennego (w przypadku
stosowania czujników parametrycznych), czujnik pomiarowy oraz miernik elektryczny. W
przypadku stosowania czujników generacyjnych pomocnicze źródło zasilania jest zbyteczne.
Jednakże, gdy zmiany wielkości elektrycznej, zarówno przy stosowaniu czujników
parametrycznych jak i generacyjnych są małe, należy stosować wzmacniacze i pomocnicze
źródła zasilania.
W przypadkach, w których bezpośrednie wykorzystanie zależności między badaną
wielkością nieelektryczną a elektryczną jest niedogodne, korzysta się z zależności pośredniej,
w której wielkość nieelektryczna powoduje zmianę innej wielkości nieelektrycznej, a ta z
kolei wywołuje zmianę wielkości elektrycznej, mierzonej miernikiem elektrycznym
wyskalowanym w jednostkach pierwotnej wielkości nieelektrycznej. Na przykład, w celu
zmierzenia temperatury danego ciała można korzystać z pomiaru promieniowania
podczerwonego wysyłanej przez to ciało, przy czym energia ta działa dopiero na czujnik, np.
na ogniwo termoelektryczne.
Jako pośrednie wielkości nieelektryczne najczęściej są wykorzystywane wielkości
charakteryzujące
promieniowanie
elektromagnetyczne:
podczerwone,
widzialne,
nadfioletowe, X, promieniowanie korpuskularne, jak α, β, protonowe, neutronowe oraz fale
naddźwiękowe.
Również korzysta się z przekształcenia wielkości elektrycznej otrzymywanej z czujnika
w inną wielkość elektryczną, bardziej dogodną do pomiaru w danych warunkach.
Przy dokonywaniu pomiarów korzysta się z prądu stałego oraz przemiennego w zakresie
częstotliwości do setek megaherców. Stosuje się wszelkie metody pomiarowe: bezpośrednie,
porównawcze, kompensacyjne, mostkowe i różnicowe.
3
Oprócz czujników są stosowane wszelkie urządzenia i przyrządy używane w miernictwie
elektrycznym, a częściowo i radiotechnicznym, zwłaszcza układy elektroniczne.
Gdy układ pomiarowy ma jednocześnie sygnalizować, rejestrować lub regulować
mierzoną wielkość, to wówczas na jego wyjściu może być włączony przekaźnik, przyrząd
rejestrujący lub też automatyczne urządzenie regulacyjne.
1.4. Zalety pomiarów wielkości nieelektrycznych metodami elektrycznymi
Pomiary wielkości nieelektrycznych przeprowadzone przy zastosowaniu metod
elektrycznych mają wiele zalet do głównych zalicza się:
1.
Możliwość przeprowadzania pomiarów na odległości, nawet znacznych, co umożliwia
centralizację pomiarów oraz ich wykonywanie w miejscach niedostępnych.
2.
Możliwość automatyzacji pomiarów danej wielkości i automatyzacji pomiaru zmian
(przyrostów) tej wielkości w czasie.
3.
Możliwość automatycznego uwzględnienia poprawek w czasie wykonywania pomiaru
(np. poprawek uwzględniających wpływ temperatury przy po miarach pH).
4.
Możliwość
łatwego
sumowania
elektrycznego
(całkowania)
nierównomiernie
zmieniającej się w czasie wielkości nieelektrycznej (np. przepływu wody lub pary).
5.
Możliwość połączenia z pomiarem automatycznej regulacji danej wielkości w czasie
(łatwość różniczkowania) lub też zastosowania programowej regulacji (wg. przyjętych z
góry założeń).
6.
Możliwość dokonywania pomiarów procesów niezmiennych w czasie, wolnozmiennych
lub szybkozmiennych, z nieograniczoną, praktycznie biorąc, prędkością (np. przez
zastosowanie oscyloskopu cyfrowego bądź przetwornika analogowo-cyfrowego A/C).
7.
Możliwość dokonywania pomiarów w bardzo dużym zakresie zmian wielkości mierzonej
bez zmiany metody pomiarowej i urządzeń pomiarowych. Jeżeli np. wielkość
nieelektryczna powoduje zmianę prądu, to prąd ten można mierzyć za pomocą tego
samego przyrządu, np. w zakresie od 10-12 do 10-3 A zmieniając tylko wartość rezystancji
bocznikującej.
8.
Możliwość
dokonywania
pomiarów
różnych
wielkości
nieelektrycznych
przy
zastosowaniu takich samych mierników elektrycznych, dzięki czemu jest umożliwiona
unifikacja układów pomiarowych – oscyloskop cyfrowy, karta A/C, woltomierz cyfrowy.
9.
Duża czułość pomiaru (możliwość wzmacniania).
10. Krótki czas potrzebny do wykonywania pomiaru.
4
11. Prostota pomiaru, co umożliwia niejednokrotnie obsługiwanie przyrządów pomiarowych
przez personel niewykwalifikowany.
12. Duża dokładność pomiaru.
13. Łatwość przekazywania wyników pomiarów na znaczne odległości bez wyraźnego
zmniejszenia dokładności pomiaru poprzez zastosowanie mikrokomputerowych układów
pomiarowych.
Zalety pomiarów elektrycznych wielkości nieelektrycznych sprawiły, że wiele metod
pomiarowych zostało uproszczonych, dzięki czemu skomplikowane pomiary mogą być
obecnie wykonywane w pomieszczeniu fabrycznym lub w terenie, do czego dawniej
potrzebne było stworzenie warunków laboratoryjnych, a personel wykonujący pomiary
musiał być wysoko kwalifikowany.
Zastosowanie urządzeń elektronicznych do pomiaru wielkości nieelektrycznych w
znacznym. stopniu wyparło dawne metody pomiarowe, aczkolwiek są one w dalszym ciągu
stosowane do pomiarów bezpośrednich i specjalnych laboratoryjnych i są niezbędne do
wzorcowania i skalowania elektronicznych urządzeń pomiarowych.
1.5. Czujniki pomiarowe
Działanie czujników opiera się na zjawiskach elektrycznych, magnetycznych, elektrofizycznych i elektrochemicznych. W obecnym stanie techniki znamy ponad 100 30 różnych
rodzajów czujników, różniących się co do zasady działania. Ponadto istnieje duża
różnorodność czujników dostosowanych do pomiaru danej wielkości, różniących się
konstrukcją.
Jak wspomniano, czujniki powodują zmianę wielkości elektrycznej, wskutek działania
mierzonej wielkości nieelektrycznej. Jeżeli wpływ jest bezpośredni, to oznaczając przez X
wielkość nieelektryczną, a przez Y - wielkość elektryczną otrzyma się zależność
Y = f(X)
(l)
Jeżeli zależność jest nie bezpośrednia, lecz pośrednia to najpierw wielkość nieelektryczna
Xl powoduje zmianę innej wielkości nieelektrycznej X2, czyli
X2 = f(X1)
(2)
a następnie wielkość. nieelektryczna X2 powoduje zmianę wielkości elektrycznej Y
Y = f2(X2)
(3)
A więc z wyrażeń (2) i (3) otrzyma się zależność
Y = f2[fl(X1)] = f3(X1)
(4)
przy czym f3 - funkcja złożona zależności Y od X1.
5
Ogólnie biorąc, w czujnikach uzyskuje się mniej lub bardziej złożoną zależność między
wielkością elektryczną a nieelektryczną. Najdogodniejsza jest w zasadzie zależność
proporcjonalna, nie zawsze jednak ona występuje. W praktyce korzysta się z każdej
zależności jeżeli jest ona jednoznaczna i powtarzalna np. korzysta się z zależności
przedstawionej szeregiem funkcyjnym potęgowym
Y = f(X) = a+bx+cx2+dx3+ ...
(5)
Na przykład zależność rezystancji elektrycznej Ro drutów rezystancyjnych od
temperatury wyraża się ogólnie jako:
R = Ro[1 +a∆T +b(∆T )2+c(∆T)3+ ...]
(6)
przy czym:
Ro
- rezystancja przy temperaturze początkowej;
a, b, c - stałe charakteryzujące materiał;
∆T
- przyrost temperatury.
.
Dla większości czujników wartości liczbowe funkcji Y = f(X) nie mogą być ustalone z
obliczenia na podstawie stałych czujnika, np. jego wymiarów lub własności określających
materiał. Zwykle wartości te otrzymuje się doświadczalnie, wzorcując czujnik przy
współpracy z resztą układu pomiarowego, przy czym wzorcowanie to obowiązuje przeważnie
dla danego egzemplarza. Ze względu na możliwość wymiany czujnika bez potrzeby
wzorcowania dąży się do tego, ażeby czujniki danego typu miały jednakowe własności.
Ponadto bardzo cenną własnością czujników jest stałość ich parametrów w czasie. Niektóre
rodzaje czujników, w celu zwiększenia ich stabilności pracy, należy przed wzorcowaniem
poddać procesowi starzenia przez zastosowanie specjalnych zabiegów.
Jeżeli na wielkość elektryczną Y oprócz mierzonej wielkości nieelektrycznej X wpływa
również inna wielkość nieelektryczna Z, tj. Gdy:
Y = f(X, Z)
(7)
co zresztą zdarza się bardzo często, to w pomiarach korzysta się z rodziny charakterystyk
Y = f(X)z = const
(8)
wyznaczając najczęściej doświadczalnie te zależności dla wartości Z1, Z2, Z3 itd.
Można również starać się wykonywać pomiary dla określonej wartości zmiennej Z. Na
przykład, gdy Z oznacza temperaturę, to pomiary można wykonywać w temperaturze
normalnej, równej 20°C. Stosowane są ponadto sposoby elektryczne kompensacji wpływu
wielkości
Z
na
temperaturowych.
wskazanie
miernika,
np.
przez
wykorzystanie
kompensatorów.
.
6
Bardzo ważną własnością jest czułość S czujnika. Czułość jest to najmniejsza zmiana
sygnały wejściowego działającego na czujnik, która spowoduje zmianę sygnały wyjściowego
z czujnika. Im większa jest czułość, tym mniejszy wpływ na wynik pomiaru mają czynniki
postronne. Pożądana jest czułość możliwie duża, jednakże nie zawsze jest to możliwe.
1.6. Klasyfikacja czujników
Jak już wcześniej wspomniano, czujniki można podzielić na dwie główne grupy: czujniki
parametryczne i czujniki generacyjne.
W czujnikach parametrycznych mierzona wielkość nieelektryczna powoduje zmianę
wielkości elektrycznej - np. rezystancji, pojemności, indukcyjności natężenia prądu, napięcia,
częstotliwości, nie następuje przy tym (w zasadzie) wytwarzanie energii elektrycznej wskutek
działania mierzonej wielkości nieelektrycznej.
W czujnikach generacyjnych mierzona wielkość nieelektryczna powoduje wytwarzanie
siły elektro motorycznej (ogniwa termoelektryczne, ogniwa fotoelektryczne, ogniwa
stężeniowe).
Czujniki pomiarowe parametryczne dzieli się na:
1.
Czujniki rezystancyjne, w których wykorzystuje się zależność rezystancji czujnika,
włączonego w obwód pomiarowy, od jego wymiarów, rezystywności itp.
2.
Oporniki termometryczne, w których wykorzystuje się zależność rezystancji czujnika od
jego temperatury, stosowane do pomiarów temperatur, analizy gazów, pomiaru prędkości
przepływu itp.
3.
Czujniki elektrolityczno – rezystancyjne o zmiennej rezystancji elektrolitu, zależnej od
stężenia badanego elektrolitu, stosowane do pomiaru stężenia elektrolitu.
4.
Czujniki jonizacyjne, w których wykorzystuje się zmianę rezystancji środowiska
zjonizowanego w zależności od stopnia jonizacji, stosowane do pomiaru próżni,
natężenia promieniowania itp.
5.
Czujniki fotoelektryczne rezystancyjne, w których wykorzystuje się wpływ energii
promienistej na rezystancję fotonówki lub opornika fotoelektrycznego, stosowane w
układach mierzących energię świetlną.
6.
Czujniki indukcyjne, w których korzysta się ze zmiany indukcyjności własnej lub
wzajemnej, wskutek zmian w obwodzie magnetycznym, stosowane głównie do pomiaru
wielkości geometrycznych i przemieszczeń.
7
7.
Czujniki magnetosprężyste o zasadzie działania opartej na zależności przenikalności
magnetycznej materiału ferromagnetycznego od naprężenia mechanicznego, stosowane
do pomiarów naprężeń mechanicznych.
8.
Czujniki
pojemnościowe,
w
których
wykorzystuje
się
zależność
pojemności
kondensatora od jego wymiarów, wzajemnego położenia elektrod, zmiany przenikalności
elektrycznej, stosowane do pomiarów wielkości mechanicznych, do pomiarów
wilgotności itp.
Podane tu typy czujników parametrycznych nie wyczerpują wszystkich czujników tej
grupy.
Spośród czujników generacyjnych najważniejszymi są:
1.
Czujniki
dynamiczne,
których
działanie
jest
oparte
na
zjawisku
indukcji
elektromagnetycznej (zależności siły elektromotorycznej od prędkości zmiany strumienia
magnetycznego, przenikającego przez cewkę czujnika), stosowane do pomiarów
prędkości, przyspieszeń i częstotliwości.
2.
Czujniki termoelektryczne (ogniwa termoelektryczne), których działanie jest oparte na
zjawisku powstawania siły elektromotorycznej w miejscu styku dwóch metali, stosowane
do pomiarów temperatury i energii świetlnej, zwłaszcza w zakresie promieniowania
podczerwonego.
3.
Czujniki piezoelektryczne, których działanie jest oparte na zjawisku piezoelektrycznym,
występującym w kryształach niektórych materiałów (kwarc, turmalin, sól Seignette'a),
stosowane głównie do pomiarów wielkości mechanicznych i wymiarów geometrycznych.
4.
Czujniki elektrochemiczne (elektrody), tworzące ogniwa specjalne dostarczające SEM
prądu stałego, stosowane do pomiarów stężeń elektrolitów.
5.
Czujniki fotoelektryczne (ogniwa fotoelektryczne), w których pod działaniem
promieniowania powstaje siła elektromotoryczna prądu stałego, stosowane do pomiarów
parametrów promieniowania.
Powyższe czujniki pomiarowe można również klasyfikować zależnie od rodzaju energii
działającej na czujnik, który pod działaniem tej energii powoduje zmianę wielkości
elektrycznej lub powstawanie energii elektrycznej. W tym przypadku można wyodrębnić
następujące cztery duże grupy czujników:
1.
Czujniki działające pod wpływem energii mechanicznej, przeznaczone głównie do
pomiarów wielkości mechanicznych. Są to czujniki: rezystancyjne, pojemnościowe,
indukcyjne, piezoelektryczne, magnetosprężyste, dynamiczne.
8
2.
Czujniki działające pod wpływem energii chemicznej, powstającej wskutek procesów
elektrochemicznych, stosowane głównie w elektrochemii. Są to czujniki: do pomiaru pH,
polarograficzne, kulometryczne i elektrolityczno-rezystancyjne.
3.
Czujniki działające pod wpływem energii świetlnej, stosowane do pomiaru parametrów
promieniowania podczerwonego i widzialnego oraz promieniowania wywołującego
jonizację gazów, a także do pomiaru innych wielkości. Są to czujniki fotoelektryczne i
jonizacyjne.
4.
Czujniki działające pod wpływem energii cieplnej, stosowane przede wszystkim do
pomiaru temperatury. Są to ogniwa termoelektryczne i oporniki termometryczne.
9