1/10 BADANIE DYNAMICZNYCH WŁAŚCIWOŚCI
Transkrypt
1/10 BADANIE DYNAMICZNYCH WŁAŚCIWOŚCI
Lab. „Podstaw miernictwa” - Badanie dynamicznych właściwości przetworników pomiarowych BADANIE DYNAMICZNYCH WŁAŚCIWOŚCI PRZETWORNIKÓW POMIAROWYCH 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest poznanie właściwości przyrządów i przetworników pomiarowych związanych ze stanami przejściowymi powstającymi po zmianie wartości wielkości mierzonej lub oddziałującej na przetwornik, a w szczególności: poznanie sposobów wyrażania właściwości dynamicznych przetwornika pomiarowego, stosowanych modeli dynamicznych oraz metod wyznaczania parametrów tych modeli, przybliżenie zagadnień dotyczących pomiarów wielkości zmiennych w czasie (pomiarów dynamicznych), 2. Wprowadzenie Wielkości mierzone w praktyce przemysłowej lub laboratoryjnej mogą być stałe lub też zmienne w czasie wykonywania pomiaru. Zmienność ta stanowi kryterium podziału pomiarów na pomiary statyczne i pomiary dynamiczne. O pomiarach statycznych mówimy, jeżeli nie występuje zmiana wielkości mierzonej w czasie trwania pomiaru. Pomiar dynamiczny jest natomiast dokonywany wówczas, gdy wielkość mierzona jest zmienna w czasie, a celem pomiarów jest ilościowe zobrazowanie tej zmienności. Wynikiem pomiaru dynamicznego jest zatem nie pojedyncza stała wartość, lecz pewnego rodzaju odwzorowanie czasowej zmienności wielkości mierzonej. Wynik ten może mieć postać wykresu wielkości mierzonej w funkcji czasu, sporządzonego bezpośrednio przez urządzenie tzw. rejestrator analogowy (rys. 1a) lub też, w przypadku rejestracji dyskretnej, jest to ciąg par liczb {ti, x(ti)}. x(ti) jest wartością chwilową wielkości mierzonej, a i oznacza numer chwili czasowej. Pary liczb zapisane są na odpowiednim nośniku, np. w tabeli pomiarowej, pamięci komputera, pliku danych. Mogą też być ilustrowane na wykresie (rys. 1b). a) b) x(t) x(ti) x(ti) x(t1) t t t1 …. t ti Rys. 1. Wynik pomiaru wielkości zmiennych w czasie – rejestracja ciągła (a) i dyskretna (b) Analizując przydatność przetwornika pomiarowego do pomiarów dynamicznych, należy rozpatrywać jego specyficzne właściwości z tym związane, tzw. właściwości dynamiczne. 1/10 Lab. „Podstaw miernictwa” - Badanie dynamicznych właściwości przetworników pomiarowych Również przy pomiarach statycznych może zachodzić potrzeba uwzględnienia właściwości dynamicznych przetwornika, ponieważ ustalanie się wielkości wyjściowej przetwornika po skokowej zmianie wielkości mierzonej jest procesem dynamicznym, np. ustalanie się wskazań termometru po zanurzeniu go w ośrodku, którego temperaturę chcemy zmierzyć. Zjawiska dynamiczne zachodzące w przetwornikach pomiarowych są przyczyną dodatkowych błędów pomiaru, tzw. błędów dynamicznych. 3. Modele dynamiczne przetworników pomiarowych W każdym realnym układzie tworzącym konstrukcję przetwornika pomiarowego istnieją elementy mające zdolność gromadzenia bądź oddawania różnych form energii - elektrycznej: cewki, kondensatory; mechanicznej: rozpędzone masy, napięte sprężyny; cieplnej: masy akumulujące ciepło. Zjawiska fizyczne wykorzystywane w konstrukcji przetwornika pomiarowego związane są z oddziaływaniami energetycznymi. Równanie modelowe opisujące związek zmiennych w czasie wielkości wejściowej (mierzonej) x(t) i wyjściowej y(t) musi te zjawiska uwzględniać. Model taki może mieć postać równania różniczkowego o ogólnej postaci: y(t) = f[x, x'(t), x''(t),... , y'(t), y''(t),...]. (1) W praktyce często stosuje się dwa sposoby uproszczonego opisu właściwości dynamicznych przetworników: - w dziedzinie czasowej, za pomocą uproszczonych równań różniczkowych liniowych wiążących sygnały wejściowe i wyjściowe, - w dziedzinie częstotliwościowej, za pomocą tzw. transmitancji widmowej. Odpowiednio do powyższych sposobów opisu istnieją metody eksperymentalnego wyznaczania postaci i parametrów modeli dynamicznych oraz ich poglądowego przedstawiania za pomocą charakterystyk czasowych lub częstotliwościowych. W tym ćwiczeniu przedmiotem zainteresowania są tylko charakterystyki czasowe. Równanie różniczkowe opisujące w dziedzinie czasu przetwornik pomiarowy liniowy i stacjonarny, przy dowolnej czasowej zmienności sygnału wejściowego, ma postać ogólną: m ai i 0 d i y t dt i n bi j 0 d j x t dt j (2) Współczynniki ai, bj mają stałe wartości i zależą jedynie od parametrów elementów konstrukcyjnych przetwornika (pojemności, rezystancji, indukcyjności, mas, sprężystości itp). Rząd mn równania jest nazywany rzędem przetwornika. Stosowane w układach pomiarowych przetworniki są zwykle 0, 1 lub 2 rzędu, co oznacza, ze równanie odpowiedniego rzędu uznaje się za wystarczająco wierny model dynamiczny przetwornika. Przetwornik zerowego rzędu (tzw. proporcjonalny) W równaniu opisującym taki przetwornik nie występują pochodne i ma ono postać y(t) = k x(t), (3) 2/10 Lab. „Podstaw miernictwa” - Badanie dynamicznych właściwości przetworników pomiarowych gdzie k=const. przetwornika. jest nazywane współczynnikiem wzmocnienia statycznego albo czułością Przetwornik taki nie wprowadza błędów dynamicznych - jest idealnym przetwornikiem do pomiarów dynamicznych, a jeżeli k=1, to również nie wprowadza błędów statycznych. Wówczas mamy y(t)=x(t), czyli wielkość wyjściowa (wartość wskazywana) jest równa wielkości wejściowej (wartości mierzonej) w każdej chwili czasu. Praktyczna realizacja takiego przetwornika jest niemożliwa, a opis przetworników rzeczywistych za pomocą tego modelu jest przybliżony i stosowany w ograniczonym zakresie. Niektóre typy przetworników, np: dzielniki rezystancyjne, tensometry, wzmacniacze operacyjne można na ogół z dobrym przybliżeniem traktować jako przetworniki zerowego rzędu, w praktycznie użytecznym przedziale szybkości zmian (częstotliwości) wielkości wejściowych. Przetwornik pierwszego rzędu (tzw. inercyjny pierwszego rzędu) Postać równania różniczkowego jest następująca: y'(t) + y(t) = k x(t). (4) Współczynniki modelu to: k - wzmocnienie statyczne i – tzw. stała czasowa. Odpowiedź takiego przetwornika na skokową zmianę wielkości wejściowej ma postać wykładniczą: t y t kA 1 e Przebieg czasowy odpowiedzi skokowej pokazano na rysunku 1. xt A 1(t ) (5) y(t) wartość ustalona kA styczna 0,632 kA 0 t 0 Rys. 2. Odpowiedź skokowa przetwornika pierwszego rzędu Jak widać na wykresie, wielkość wyjściowa y(t) teoretycznie nie ustala się nigdy, jednak praktycznie po odpowiednio długim czasie błąd pomiaru jest pomijalnie mały. Czas ten zależy od wartości stałej czasowej przetwornika, a ta z kolei zależy od parametrów konstrukcyjnych. Po czasie równym 3 błąd pomiaru nie przekracza 5%, a po czasie 5 błąd ten jest mniejszy niż 0,7%. Modelem inercyjnym pierwszego rzędu opisuje się najczęściej przetworniki mające zdolność gromadzenia energii – „pojedynczy magazyn energii”. Przykładem może być czujnik 3/10 Lab. „Podstaw miernictwa” - Badanie dynamicznych właściwości przetworników pomiarowych temperatury (rezystancyjny, termoelektryczny) bez osłony metalowej (patrz p. 4), który rozgrzewa się powoli - akumuluje ciepło pobrane z ośrodka, którego temperaturę mierzy. Czas ustalania się wskazań temperatury zależy od masy czujnika i rodzaju materiału, z którego jest wykonany. Przetwornik drugiego rzędu Model taki opisuje bardziej złożone przetworniki pomiarowe. Ogólna postać równania różniczkowego jest następująca: a2 d 2 y t dy t a1 a 0 y t b0 xt 2 dt dt (6) Definiuje się parametry: k = b0/a0 - współczynnikiem wzmocnienia statycznego, 0 a 0 / a 2 - tzw. pulsacja drgań nietłumionych, a1 0, - tzw. współczynnik (stopień) tłumienia. 2 a0 a2 Przebieg odpowiedzi skokowej zależy od wartości współczynnika tłumienia. Na rysunku 3 przedstawiono charakterystyczne rodzaje odpowiedzi skokowych unormowane względem wartości ustalonych. b) przetwornik inercyjny drugiego rzędu a) przetwornik oscylacyjny y(t) yust y(t) yust = 0,05 1 = 0,2 1,5 = 0,5 =1 1>1 1 0,5 0,5 Tw t t 0 Rys. 3. Odpowiedzi skokowe przetwornika drugiego rzędu Wyróżnia się trzy charakterystyczne przypadki: 1° Dla 0<1 (tłumienie małe) odpowiedź skokowa ma charakter oscylacyjny (periodyczny), przy czym im mniejsza wartość współczynnika tłumienia , tym oscylacje te zanikają wolniej, a dla =0 nie zanikają. y t 1 e 0 t 1 2 sin w t gdzie w 0 1 2 i arcsin 1 2 w=2/Tw – tzw. pulsacja drgań własnych (tłumionych), Tw – okres drgań własnych. 4/10 Lab. „Podstaw miernictwa” - Badanie dynamicznych właściwości przetworników pomiarowych 2° Dla =1 lub >1 odpowiedź ma charakter inercyjny (aperiodyczny, nieoscylacyjny) i używanie parametrów odnoszących się do przebiegów oscylacyjnych nie jest dogodne. Stosowane są wówczas współczynniki 1 i 2 nazywane stałymi czasowymi. =1 (tzw. tłumienie graniczne) – przebieg ma postać: y t 1 1 0 t e 0t >1 (tłumienie duże) - przebieg ma postać: y t 1 1 1e t / 1 2 e t / 2 , 1 2 (7) gdzie współczynniki 1 i 2 są stałymi czasowymi, przy czym zachodzą związki: 1 a1 a12 4a2 2a 0 oraz 2 a2 2a 2 a0 1 a a 2 4a 1 1 2 4. Model dynamiczny przetwornika temperatury Znajomość charakterystyki dynamicznej przetwornika do pomiary temperatury jest szczególnie istotna w przypadku pomiarów temperatur zmiennych w czasie albo przy pomiarach temperatur stałych metodą impulsową, polegającą na zanurzeniu przetwornika w ośrodku na relatywnie krótki czas. W taki sposób dokonuje się pomiaru bardzo wysokich temperatur lub pomiarów w ośrodkach o dużej agresywności chemicznej. Obliczenie temperatury mierzonej na podstawie nieustalonej wartości wielkości wyjściowej z przetwornika termometrycznego wymaga uwzględnienia modelu dynamicznego i dokładnej znajomości jego parametrów. Precyzyjne wyznaczenie współczynników takiego modelu w sposób analityczny nie jest na ogół możliwe, gdyż nieznane są rzeczywiste wartości współczynników wymiany cieplnej pomiędzy elementami czujnika i badanym ośrodkiem. Z tego powodu parametry te wyznacza się metodami doświadczalnymi. Można w tym celu zmierzyć przebieg czasowy sygnału wyjściowego czujnika będącego jego odpowiedzią na określony przebieg czasowy temperatury badanego ośrodka. Łatwa w realizacji jest skokowa lub impulsowa zmiana temperatury – wystarczy szybko przełożyć czujnik z ośrodka o jednej temperaturze do ośrodka o innej temperaturze. Przetwornik do pomiaru temperatury T składa się zwykle z czujnika umieszczonego w osłonie metalowej i dostosowanego do tego czujnika układu elektrycznego kształtującego sygnał wyjściowy. Na rysunku 4a przedstawiono szkic fragmentu konstrukcji przetwornika termometrycznego z czujnikiem w osłonie metalowej. Przetwornik składa się z trzech elementów: - osłony metalowej, - warstwy izolacji elektrycznej, - walcowego czujnika (np. rezystancyjnego metalowego, półprzewodnikowego, termoelementu, kryształu kwarcu), którego określony parametr elektryczny zależy od jego temperatury (ozn. Tcz). 5/10 Lab. „Podstaw miernictwa” - Badanie dynamicznych właściwości przetworników pomiarowych b) a) osłona Tz element zewnętrzny - osłona Two=Tzc element wewnętrzny - czujnik Tcz Tcz Q Two Tz izolacja czujnik Tz – temperatura zewnętrzna osłony (mierzona) Two – temperatura wewnętrzna osłony Tzc – temperatura zewnętrzna czujnika Tcz – temperatura wewnętrzna czujnika (wskazywana) Rys. 4. Szkic fragmentu konstrukcji przetwornika temperatury z czujnikiem w osłonie (a), uproszczona struktura przetwornika złożona z dwóch elementów (b). Ciepło przenika z ośrodka zewnętrznego, którego temperatura Tz jest mierzona, poprzez osłonę i izolację do czujnika. W dalszej analizie przyjęto równomierny rozkład temperatur na powierzchniach poszczególnych elementów (warstw) przetwornika oraz pominięto wpływ izolacji elektrycznej, jako warstwy o najmniejszej pojemności cieplnej i tym samym nieznacznie wpływającej na propagację ciepła do czujnika. Przy takich założeniach model dynamiczny przetwornika można przedstawić w postaci strukturalnej jako połączenie łańcuchowe dwóch elementów, tak jak to ilustruje rys. 4b. Każdy z elementów jest może być opisany modelem w postaci inercji pierwszego rzędu (1), jednakże ich parametry k i są różne i zależą od wymiarów geometrycznych i rodzaju materiału. Równanie modelu można wyprowadzić na podstawie bilansu energii cieplnej przenikającej od ośrodka zewnętrznego do czujnika i energii akumulowanej w poszczególnych częściach przetwornika. Dla pojedynczego elementu intensywność propagacji energii cieplnej Q z jednego elementu o temperaturze Tz do drugiego o temperaturze Tw (np. z ośrodka do osłony lub od osłony do czujnika) wyraża równanie: dQt S (Tz Tw ) , (8) dt gdzie S oznacza pole powierzchni wymiany ciepła, jednostkowy współczynnik wymiany ciepła, Tz i Tw są temperaturami odpowiednio zewnętrzną i nagrzewanego elementu (dla czujnika Tw=Tcz). Przyrost temperatury dTw elementu (osłony lub czujnika) wynika z akumulacji ciepła i może być obliczony jako: dQt cw m dTw , (9) gdzie cw jest ciepłem właściwym materiału elementu, a m jest masą elementu. Po podstawieniu uzyskujemy równanie opisujące model matematyczny dla jednego elementu o postaci: 6/10 Lab. „Podstaw miernictwa” - Badanie dynamicznych właściwości przetworników pomiarowych cw m dTw t Tw t Tz t , S dt (10) zgodniej z postacią ogólną (1). Z równania tego wynika, że po ustaleniu się temperatury wewnętrznej będzie ona równa temperaturze zewnętrznej, czyli temperaturze mierzonej. Model całego przetwornika powinien uwzględniać wszystkie kolejno nagrzewające się elementy, w tym przypadku osłonę i sam czujnik (izolację elektryczną pominięto). Obrazuje to schemat strukturalny na rysunku 3b. Model ten przyjmuje formę zgodną z ogólnym równaniem (6) dla współczynnika tłumienia >1. Przebieg temperatury czujnika (temperatury wskazywanej), po skokowej zmianie temperatury mierzonej (po zanurzeniu przetwornika w ośrodku, którego temperaturę chcemy mierzyć) jest zgodny z równaniem (7) i wykresem 3b. 4. Eksperymentalne wyznaczanie parametrów modelu dynamicznego Opisaną wyżej metodą można wyznaczyć jedynie ogólna postać modelu dynamicznego przetwornika. Wyliczenie wartości jego parametrów jest na ogół mało precyzyjne z dwóch powodów: - przy wyprowadzaniu postaci modelu przyjęto różne uproszczenia, np. pominięto warstwę izolacji elektrycznej, założono równomierny rozkład temperatur, - stałe materiałowe i konstrukcyjne nie są znane dokładnie. W praktyce zwykle korzysta się z tego sposobu w fazie projektowania konstrukcji czujników, przy czym dokonuje się zgrubnych oszacowań parametrów termicznych elementów projektowanej konstrukcji. Użyteczne dla praktyki pomiarowej jest wyznaczenie rzeczywistej charakterystyki dynamicznej przetwornika poprzez pomiar jego sygnału wyjściowego przy wymuszonym przebiegu zmian temperatury ośrodka. Zwykle stosuje się łatwą w realizacji skokową (rzadziej impulsową) zmianę temperatury. Pomiary polegają na zarejestrowaniu przebiegu sygnału wyjściowego przetwornika po szybkim zanurzeniu go w ośrodku o temperaturze T różnej od temperatury otoczenia To. Układ pomiarowy musi umożliwiać rejestrację wielkości wyjściowej, chociaż w przypadku przetworników o dużych czasach odpowiedzi (co najmniej klika minut) możliwe jest nawet odczytywanie i ręczne notowanie wskazań miernika wielkości wyjściowej (np. co 15 s). Rejestrację należy przeprowadzić w odpowiednio długim przedziale czasu, tak aby wielkość wyjściowa osiągnęła wartości bliskie wartości ustalonej. Wzmocnienie statyczne (czułość) przetwornika określa się jako iloraz wartości wielkości wyjściowej w stanie ustalonym i różnicy temperatur: k = yust /(T-To). W przypadku przetworników inercyjnych (modele (1) lub (2) dla >1) stałe czasowe wyznacza się wykorzystując zarejestrowaną odpowiedź skokową, przeliczoną według zależności: y t z t ln 1 yust (14) Przykładowe wykresy pokazano na rysunku 5. 7/10 Lab. „Podstaw miernictwa” - Badanie dynamicznych właściwości przetworników pomiarowych Uzyskane wykresy aproksymuje się linią prostą z(t)=at+b. Można tego dokonać graficznie lub metodą regresji liniowej1. Należy wybrać punkty w obszarze zbliżonym do prostoliniowego. a) z( t ) b) z( t ) t [s] 0 5 b z ( t ) = at+b t [s] 0 5 -1 punkty pomiarowe -1 z ( t) = at+b -2 Rys. 5. Wykresy funkcji z(t) dla modeli inercyjnych 1-go rzędu (a) i 2-go rzędu (b). Niedokładności pomiarów powodują, że w praktyce uzyskane wykresy odbiegają od linii prostej (są „postrzępione”), szczególnie w obszarze dla dużych wartości czasu. W takiej sytuacji do wyznaczenia parametrów prostej aproksymującej należy odrzucić punkty końcowe, znacznie odbiegające od prostej. Stałe czasowe wyznacza się na podstawie parametrów prostej regresji według zależności: dla inercji pierwszego rzędu: T 1 dla inercji drugiego rzędu: T1 ; a 1 a (15) eb 1 T2 b T1 . e (16) 5. Stanowisko laboratoryjne Schemat stanowiska laboratoryjnego do badania charakterystyki dynamicznej termorezystorów przedstawiono na rys.6. W ćwiczeniu laboratoryjnym jako ośrodki pomiarowe wykorzystuje się powietrze lub wodę o temperaturze otoczenia To oraz wodę podgrzewaną w naczyniu kalorymetrycznym 1 o temperaturze T. Temperaturę kąpieli mierzy się termometrem 3. Badany przetwornik pomiarowy złożony jest z czujnika termorezystancyjnego Rs, który włączony jest w układ elektryczny mostkowy 4, zasilany stabilizowanym napięciem UZ. Sygnałem wyjściowym y(t) jest w tym przypadku napięcie nierównowagi mostka UM(t).. Rezystor RN w mostku pomiarowym służy do równoważenia mostka - mostek zwykle równoważy się w temperaturze początkowej To. 1 Metoda regresji liniowej opisana jest w ćwiczeniu „Właściwości statyczne przetworników pomarowych” 8/10 Lab. „Podstaw miernictwa” - Badanie dynamicznych właściwości przetworników pomiarowych 4 To 3 R1 Rs R2 T RN UZ UM Rejestrator Zasilacz stabilizowany Komputer 1 2 Rys. 6. Schemat stanowiska do wyznaczania charakterystyki dynamicznej termorezystorów w środowisku ciekłym. Eksperyment należy powtórzyć wielokrotnie dla każdego czujnika, przenosząc go z ośrodka ciepłego do zimnego i odwrotnie. W chwili zanurzenia czujnika w kąpieli rozpoczyna się proces automatycznej rejestracji napięcia nierównowagi mostka UM za pomocą mikroprocesorowego rejestratora współpracującego z komputerem. Bieżące wartości napięcia nierównowagi mostka są przedstawiane w postaci wykresu na ekranie monitora i jednocześnie zapisywane w komputerze do pliku w formacie dogodnym do dalszych obliczeń np. przy wykorzystaniu programu Excel lub podobnego. 6. Program ćwiczenia W trakcie ćwiczenia dokonuje się pomiaru charakterystyk dynamicznych badanych przetworników termometrycznych z czujnikami rezystancyjnymi oraz oszacowania parametrów modelu na podstawie uzyskanych wykresów. Dokładne obliczenia (wg uwag zamieszczonych w p. 4) powinny być wykonane w ramach opracowania sprawozdania. 1. Załączyć zasilanie grzejnika w naczyniu kalorymetrycznym i po ustabilizowaniu się temperatury kąpieli zmierzyć temperaturę kąpieli T oraz otoczenia To. 2. Uruchomić komputer i wywołać program „Dynamika Termometrów”. 3. Przyłączyć badany przetwornik, umieszczony w temperaturze To do zacisków układu mostkowego, włączyć napięcie zasilania mostka i zrównoważyć mostek za pomocą rezystora dekadowego RN. Zanotować wartości rezystancji RN. 4. Na podstawie wymiarów przetwornika ocenić zgrubnie jego czas nagrzewania i wybrać w programie komputera odpowiedni czas rejestracji odpowiedzi skokowej. 5. Uruchomić rejestrację przebiegu napięcia UM i szybkim ruchem przenieść badany czujnik z jednego ośrodka do drugiego. Zarejestrować odpowiedzi dla dodatniego i ujemnego skoku temperatury. 6. Pomiary powtórzyć dla wszystkich dostępnych na stanowisku przetworników i różnych rodzajów ośrodka (woda-woda, powietrze-woda i woda-powietrze). 7. Skopiować pliki z wynikami pomiarów zapisane w katalogu „Wyniki” do zewnętrznego dysku (dyskietki). 9/10 Lab. „Podstaw miernictwa” - Badanie dynamicznych właściwości przetworników pomiarowych 6. Pytania kontrolne 1. Podać interpretację stałej czasowej czujnika 2. Czy w stanie ustalonym wskazania dwóch termometrów różniących się jedynie stałymi czasowymi będą jednakowe? Uzasadnić odpowiedź. 3. Czy czas ustalania się odpowiedzi skokowej czujnika zależy od rzędu jego inercji? Podać uzasadnienie odpowiedzi. 4. Czy stała czasowa czujnika temperatury zależy od rodzaju ośrodka pomiarowego? 5. Jak wpływa konstrukcja czujnika temperatury na jego inercję? 6. Czy można wyznaczyć charakterystykę dynamiczną czujnika przy innych niż skokowe rodzajach wymuszenia? 7. Jak wpływa charakterystyka dynamiczna czujnika na dokładność pomiaru temperatury? Uzasadnić odpowiedź. Opracował: H. Urzędniczok v.22.02.2014 10/10