WYZNACZANIE WŁAŚCIWOŚCI STATYCZNYCH I

Katedra Metrologii i Systemów Diagnostycznych
Laboratorium Metrologii II. 2013/14.
Politechnika Rzeszowska
Katedra Metrologii i Systemów Diagnostycznych
Laboratorium Metrologii II
Grupa:
WYZNACZANIE WŁAŚCIWOŚCI
STATYCZNYCH I DYNAMICZNYCH
PRZETWORNIKÓW
Nr.
Ćwicz.
9
Data
1…………….....................
kierownik
2........................................
Ocena
3.........................................
4........................................
I. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest przypomnienie podstawowych parametrów opisujących właściwości
statyczne i dynamiczne przetworników oraz zasad eksperymentalnego ich wyznaczania.
II. Zagadnienia
1. Charakterystyki i parametry określające statyczne właściwości przetworników i torów
pomiarowych.
2. Linearyzacja charakterystyk statycznych, metoda regresji liniowej.
3. Sposoby opisu właściwości dynamicznych przetworników.
4. Metody i sygnały stosowane w badaniach właściwości dynamicznych.
5. Parametry charakteryzujące właściwości dynamiczne przetworników pierwszego i drugiego
rzędu, transmitancje operatorowe, charakterystyki częstotliwościowe, odpowiedzi skokowe.
6. Błąd dynamiczny.
III. Przebieg ćwiczenia
3.1. Wyznaczanie właściwości statycznych
1. Zestawić układ do wyznaczania charakterystyki statycznej ultradźwiękowego czujnika
przesunięcia z przetwornikiem przesunięcie/napięcie. W tym celu należy:
 podłączyć
sygnał
wyjściowy
z
przetwornika
na
wejście
multimetru
i wybrać pomiar napięcia. Podłączyć zasilanie przetwornika do zasilacza napięcia stałego i
ustawić napięcie 20V;
 ustawić przeszkodę odbijającą ultradźwięki na 20 cm (minimalna mierzona odległość);
 włączyć zasilanie przetwornika i multimetr.
2. Wykonać pomiary napięcia dla zmian położenia przeszkody w zakresie 20-80 cm z krokiem
2 cm. Wyniki pomiarów zanotować w tabeli 1 i wprowadzić do programu MS Excel w ten
sposób, aby w kolumnie A znalazły się wartości odległości położenia przeszkody (h) a w
kolumnie B odpowiadające im wartości napięcia (U).
3. Narysować zależność U= f(h) wykorzystując opcję Typ wykresu: XY (punktowy) z punktami
połączonymi liniami.
ćw. 9 / str. 1
Katedra Metrologii i Systemów Diagnostycznych
Laboratorium Metrologii II. 2013/14.
4.
5.
6.
7.
Przeprowadzić linearyzację charakterystyki U= f(h) metodą regresji liniowej. W tym celu po
kliknięciu na uzyskanym przebiegu prawym klawiszem myszy należy wybrać opcję Dodaj linię
trendu… Typ: liniowy, Opcje: Wyświetl równanie na wykresie. Uzyskane równanie prostej
ULin = f (h) w postaci ax + b zanotować w sprawozdaniu.
Wykorzystując otrzymaną zależność w kolumnie C arkusza obliczyć wartości funkcji
ULin = f (h) dla h = 20,22,24…80.
W kolumnie D arkusza obliczyć wartości błędów nieliniowości ΔNL(h) = ULin (h) - U(h) a w
kolumnie E błędy względne odniesione do wyjścia δNL (h) = |ΔNL(h)| /(Umax – Umin) dla
h = 20,22,24…80. Znaleźć i zanotować w sprawozdaniu wartości maksymalne błędów ΔNlmax
i δNLmax.
Na podstawie charakterystyki ULin = f (h) określić czułość S = ΔULin/Δh i stałą C = 1/S układu.
Wyniki zanotować w sprawozdaniu.
3.2. Wyznaczanie właściwości dynamicznych
8.
9.
Otworzyć wskazaną przez prowadzącego aplikację mod_dyn*.DSB w środowisku DASYLab.
W oknie właściwości modułu Generator00 (okno właściwości otwiera się po dwukrotnym
kliknięciu na ikonie modułu) ustawić następujące parametry: Frequency: 3 Hz; Amplitude: 0,5;
Offset: 0,5; Wave Form: Square.
Uruchomić program i na podstawie uzyskanych przebiegów odpowiedzi skokowych dokonać
identyfikacji typów przetworników, których modele zawierają obiekty BlackBox00-02. W celu
ułatwienia obserwacji należy zatrzymać program i wykorzystując przyciski
(Zoom i
Unzoom) przeskalować osie czasu tak, aby w oknach wykresów uzyskać pojedynczy przebieg
wymuszenia x(t) i odpowiedzi y(t).
10. Dla modelu przetwornika I rzędu powiększyć okno wizualizacji przebiegów i wyznaczyć
następujące parametry: czas połówkowy T0,5, stałą czasową T, czas ustalania Tu = T0,95 lub
Tu = T0,99 oraz określić wzmocnienie k. Pomiary wykonać operując kursorami, które uaktywnia
się przyciskiem
. Wyniki zanotować w sprawozdaniu.
11. Dla czasów t = T0,5, T, Tu określić wartości bezwzględnych i względnych błędów
dynamicznych ΔDYN(t) = y(t) – x(t); δDYN(t) =|ΔDYN(t)|/x(t)max. Potrzebne wielkości odczytać z
odpowiednich charakterystyk przy pomocy kursorów. Wyniki zestawić w tabeli 2. Jakie
maksymalne wartości mogą przyjąć błędy dynamiczne ΔDYN(t), δDYN(t) i dla jakiego czasu t to
nastąpi? W sprawozdaniu narysować przebieg odpowiedzi skokowej przetwornika I rzędu i
zaznaczyć na nim parametry: T, Tu, ΔDYN(T), ΔDYN(Tu), ΔDYNmax.
12. Zarejestrować odpowiedź czujnika Pt-100 na skok temperatury i wyznaczyć stałą czasową.
W tym celu należy:
 podłączyć sygnał wyjściowy z czujnika na wejście multimetru MXD-4660A i ustawić
pomiar rezystancji, zakres 200 Ω;
 sprawdzić podłączenie multimetru na port COM1 komputera PC;
 włączyć multimetr, uruchomić program DASYLab i otworzyć aplikację rejestracja.dsb;
ćw. 9 / str. 2
Katedra Metrologii i Systemów Diagnostycznych
Laboratorium Metrologii II. 2013/14.
 uruchomić program i zrealizować wymuszenie skokowe przez umieszczenie czujnika w
wybranym ośrodku o temperaturze wyższej niż temperatura otoczenia;
 po zarejestrowaniu odpowiedzi zatrzymać program i przy pomocy kursorów określić stałą
czasową czujnika. Wynik pomiaru zanotować w sprawozdaniu.
Dane techniczne czujnika pomiarowego UM30-13113
Wyprowadzenie zacisków czujnika
Przewody:
1 (brown) – zasilanie
2 (white) – wyjście czujnika
3 (blue) - masa
4 (black) – nie podłączony
5 (gray) – nie podłączony
.
Rys.1 Wymiary czujnika
Rys.2. Obsługa czujnika
ćw. 9 / str. 3
Katedra Metrologii i Systemów Diagnostycznych
Laboratorium Metrologii II. 2013/14.
Parametry:
Parametr
Wartości parametrów
Obsługa skanowania zasięgu
Strefa działania
200 ... 1300 mm (2000)
Częstotliwość pracy
200 kHz
temperatura pracy
(-20 do +30) ºC
rozdzielczość
0,36 mm
Powtarzalność
± 0.15 % ostatniej wartości
Dokładność 
2 % ostatniej wartości
Napięcie zasilania Vs
12 … 30 V DC1).
Prąd zużycia2).
≤70 mA
Analogowe wyjście, odwracające3). 4). QA: 4 ... 20 mA / 0 ... 10 V
Czas reakcji5).
110 ms
Czas opóźnienia
2s
Temperatura otoczenia6).
Operacji –20 °C ... +70 °C
Przechowywania –40 °C ... +85 °C
Waga
260 g
IV. Wyniki pomiarów i obliczeń
4.1. Wyznaczanie właściwości statycznych
Tabela 1.
Lp.
h [cm]
1
20
U [V]
Lp.
17
2
18
3
19
4
20
5
21
6
22
7
23
8
24
ćw. 9 / str. 4
h [cm]
U [V]
Katedra Metrologii i Systemów Diagnostycznych
Laboratorium Metrologii II. 2013/14.
9
25
10
26
11
27
12
28
13
29
14
30
15
31
16
Równanie prostej uzyskane metodą regresji liniowej: ……………………………………...
ΔNLmax = [ULin(h) – U(h)] max =
 NL max 
 NL max
U max  U min
100 =
S = ΔULin/Δh =
C = 1/S =
4.2. Wyznaczanie właściwości dynamicznych
T0,5 =
T=
Tu =
k=
Tabela 2.
Lp.
t
1
T0,5
2
T
3
Tu
ΔDYN(t) = y(t) – x(t) [
]
ćw. 9 / str. 5
δDYN(t) = |ΔDYN(t)|/x(t)max∙100 [
]
Katedra Metrologii i Systemów Diagnostycznych
Laboratorium Metrologii II. 2013/14.
Amplituda [
]
Czas [
Stała czasowa czujnika temperatury Pt-100:
]
T=
V. Wnioski
VI. Pytania kontrolne
1. Omówić parametry opisujące właściwości statyczne przetworników: równanie przetwarzania,
statyczna charakterystyka przetwarzania, czułość, stała przetwornika, błąd nieliniowości, zakres
pomiarowy.
2. Podać definicję błędu dynamicznego.
ćw. 9 / str. 6
Katedra Metrologii i Systemów Diagnostycznych
Laboratorium Metrologii II. 2013/14.
3. Wyjaśnić różnice pomiędzy pomiarem statycznym i dynamicznym oraz błędami statycznymi i
4.
5.
6.
7.
błędem dynamicznym.
Omówić metody badania właściwości dynamicznych przetworników.
Omówić sygnały testowe stosowane w badaniach właściwości dynamicznych.
Narysować odpowiedzi skokowe przetworników pierwszego i drugiego rzędu (oscylacyjny i
aperiodyczny) i zaznaczyć parametry charakterystyczne tych odpowiedzi.
Omówić sposoby wyznaczania stałej czasowej na podstawie odpowiedzi skokowej przetwornika
pierwszego rzędu.
Literatura
1. Szadkowski B. (red): Laboratorium metrologii elektrycznej i elektronicznej cz. II, Wydawnictwo
Politechniki Śląskiej, Gliwice 1994.
2. Hagel R., Zakrzewski J.: Miernictwo dynamiczne. WNT, Warszawa 1984.
3. Kwiatkowski W.: Miernictwo elektryczne. Analogowa technika pomiarowa. Oficyna
Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1994.
4. Michalski L., Eckersdorf K. Pomiary temperatury. WNT, Warszawa 1986
5. Chwaleba A., Poniński M., Siedlecki A.: Metrologia elektryczna. WNT, Warszawa 1998.
ćw. 9 / str. 7