Stanowisko pomiarowe

Główną funkcją zaprojektowanego systemu pomiarowego było wytworzenie na wejściu przetwornika pomiarowego ściśle określonego sygnału pobudzającego i rejestracja odpowiedzi układu na zadane wymuszenie. Prezentowane w pracy pomiary zrealizowano za pomocą zaprojektowanego i skonstruowanego specjalizowanego systemu pomiarowego.

Na etapie projektowania przyjęto wstępne założenia dla systemu pomiarowego, który powinien:

− umożliwiać pozycjonowanie czujnika pomiarowego w płaszczyźnie równoległej do mierzonej warstwy;

− umożliwiać zmianę odległości czujnika od warstwy;

− zadawać (synchronicznie z pomiarami) sygnał o określonej częstotliwości oraz amplitudzie napięcia;

− synchronicznie mierzyć napięcie oraz częstotliwość sygnału;

− automatycznie rejestrować serie danych pomiarowych o zadawanych licznościach;

− zapewniać długookresową stabilność i powtarzalność parametrów sygnałów pomiarowych; − zapewniać elastyczność konfiguracji i łatwość rozbudowy.

W skład stanowiska pomiarowego weszły następujące urządzenia i przyrządy zaliczone do grupy bezpośrednio-pomiarowych (rys. 5.2):

− generator sygnałowy w.cz. typu AFG 3102;

− samodzielnie wykonany przetwornik pomiarowy (por. rozdz. 4); − moduł akwizycji danych pomiarowych typy NI DAQPad 6015; − częstościomierz cyfrowy typu Dagatron 7023;

− układ pozycjonowania;

− komputer wraz z oprogramowaniem sterująco–rejestrującym.

miernik częstotliwości układ pozycjonowania przetwornik pomiarowy komputer rejestrujący zasilacz generator w.cz. LabVIEW

Tekt ronoxAFG 3102 Squ ar Sine Remp Pu lse

Frequrenc/ perio dAmplitude To p Menu Arc Mor e 1 0 2 7 8 9 4 5 6 3 + On Output 2 Power Output 1 Output TTL TTL Input On Ch1/Ch2 Vi ew Manual DAQ ¹ 4 5 6 ² 3

Rys. 5.2. Schemat funkcjonalny stanowiska pomiarowego

1- sygnał w.cz.; 2 - napięciowy sygnał wyjściowy; 3 – pomiar częstotliwości; 4 – zadawanie częstotliwości; 5 – łącze USB; 6 – łącze RS 232C

Zadaniem tej grupy przyrządów było ustalenie warunków pomiaru, zadanie sygnału o określonych parametrach, rejestracja wyników pomiaru, wizualizacja pomiarów, wyznaczenie podstawowych informacji statystycznych.

Ponadto w skład stanowiska weszły także przyrządy pomocnicze: − multimetr cyfrowy typu Agilent 34410 (6 ½ cyfry)

− mostek RLC typu MT 4090

− oscyloskop cyfrowy typu Tektronix TDS 2002 − termohigrometr cyfrowy LAB-EL

− przyrządy pomiaru odległości wraz z przekładkami dystansowymi.

Przyrządy z tej grupy służyły do dodatkowej kontroli parametrów sygnału i warunków realizacji pomiarów. Widok zestawionego stanowiska pomiarowego przedstawiono na rys. 5.3.

Generator w.cz. Termohigrometr Oscyloskop cyfrowy Multimetr cyfrowy Częstościomierz w.cz. Komputer wraz z oprogramowaniem Układ pozycjonowania Przetwornik pomiarowy Moduł DAQ

Rys. 5.3. Stanowisko pomiarowe

Uzupełnieniem podstawowego wyposażenia stanowiska pomiarowego był termohigrometr typu LB 701/5. Odczyty temperatury, wilgotności względnej oraz innych czynników mogących mieć wpływ na wynik pomiaru zapisywano w dzienniku pomiarów.

Widoczny na rys. 5.3 układ pozycjonowania umożliwia zmianę położenia czujnika pomiarowego w układzie równoległym do czoła czujnika x-y, a także jego odległości od badanej warstwy. Zakres zmian położenia czujnika pomiarowego w osi z wynosił 5 cm, a w osiach x-y ok. 40 cm. Ze względu na możliwość oddziaływania elementów konstrukcyjnych układu pozycjonowania, pomiary realizowano przy ustawieniu czujnika w jego środkowej części.

W tabelach Dodatku zestawiono najważniejsze parametry przyrządów pomiarowych wchodzących w skład zaprojektowanego i zestawionego stanowiska pomiarowego oraz wzmacniaczy użytych do budowy przetwornika pomiarowego. W tabelach A1 do A7 zamieszczono parametry wykorzystywanych przyrządów pomiarowych, a w tabelach A8 do A10 parametry wzmacniaczy użytych do budowy przetwornika pomiarowego.

Stanowisko badawcze zestawiono w Zakładzie Metrologii i Systemów Pomiarowych Politechniki Rzeszowskiej. Zasadniczym elementem zaprojektowanego stanowiska (rys.5.2) jest przetwornik pomiarowy. Został on w całości zaprojektowany i wykonany przez autora pracy. Przetwornik zasilany jest z wewnętrznego stabilnego zasilacza wyposażonego w zespół filtrów przeciwzakłóceniowych. Zewnętrzne ekranowanie elektryczne i magnetyczne ogranicza wpływ zakłóceń przenoszonych poprzez pole elektromagnetyczne. Podczas projektowania przetwornika pomiarowego wykorzystano typowe rozwiązania układowe (dane katalogowe elementów elektronicznych [98, 103] oraz praktyczne wskazówki zamieszczone w [3, 47]).

Napięcie o stałej (ustalonej) amplitudzie i przestrajanej częstotliwości, stanowi sygnał wejściowy układu pomiarowego. Do jego wytwarzania wykorzystano cyfrowy generator w.cz. typu AFG 3102 firmy Tektronix. Sygnał pomiarowy podawany jest na wejście dwóch niezależnych szerokopasmowych wzmacniaczy w.cz. (typu AD818) pełniących funkcję separatorów (korzystano z przewodu koncentrycznego o impedancji 50Ω). Sygnał z wyjścia wzmacniacza W1 podawany jest na układ czujnika pomiarowego, a wzmacniacza W2 wykorzystywany jest do pomiaru amplitudy lub częstotliwości sygnału wejściowego (por. rys. 4.5). Znajomość amplitudy sygnału wejściowego umożliwia kontrolę zadawanych parametrów i pozwala na ewentualną korektę wyniku pomiaru ze względu na zmianę amplitudy zadawanego sygnału. Zmianę częstotliwości sygnału uzyskiwano poprzez podawanie z wyjścia przetwornika c/a modułu NI DAQPad 6015 stałego napięcia (o ściśle określonej wartości) na wejście regulacyjne (FM) generatora w.cz. Napięcie to zmieniano w zakresie od 0 do 1V, z krokiem wynikającym z parametrów zadeklarowanych w programie sterowania i akwizycji danych pomiarowych. Zakres tych zmian wynikał z ustawionych na generatorze w.cz. parametrów przestrajania. Wykorzystywany generator umożliwiał zmianę częstotliwości w zakresie ±4 MHz względem częstotliwości zasadniczej poprzez zmianę napięcia sterującego od −1V do +1V. Moduł akwizycji danych NI DAQPad 6015 współpracował z komputerem PC poprzez łącze USB (z którego był również zasilany). Pomiaru bieżącej częstotliwości dokonywano za pomocą częstościomierza Dagatron 7023, a zapis danych realizowano przez komputer PC za pośrednictwem łącza RS232C.

Mierzonymi sygnałami były:

− napięcie UC odkładające się na kondensatorze C (por. rys.4.6), które za pośrednictwem wysokoimpedancyjnego, szerokopasmowego wzmacniacza buforowego (typu TSH 151), detektora szczytowego oraz wzmacniacza DC (typu INA128), mierzono za pomocą modułu akwizycji danych NI DAQPad 6015 firmy National Instruments;

− częstotliwość napięcia wejściowego mierzono częstościomierzem typu Dagatron 7023.

Konstruując przetwornik pomiarowy starano się dobrać jego elementy w taki sposób, aby: zminimalizować wpływ zmiany temperatury otoczenia (kompensacja termiczna), nagrzewania się elementów (dobór warunków pracy) oraz ograniczyć wpływ rezystancji, pojemności i indukcyjności pasożytniczych na wynik pomiaru. Na podstawie wcześniejszych prac [110, 112, 114] ustalono, liczbę zwojów oraz średnicę cewki pomiarowej (5 zwoi, 10 mm średnica). Częstotliwość rezonansowa obwodu szeregowego L1C o założonych parametrach wyniosła 25,7 MHz. Kryterium doboru parametrów szeregowego obwodu rezonansowego było ustalenie częstotliwości w zakresie liniowej pracy wykorzystywanych w przetworniku pomiarowym wzmacniaczy w.cz. oraz minimalizacja rezystancji R1. Pozostałe elementy przetwornika dobierano w taki sposób, aby zminimalizować wpływ czynników uznanych za niepożądane. Dotyczy to wartości poszczególnych elementów, jak i ich współczynników temperaturowych. Do budowy przetwornika wykorzystano szerokopasmowy wzmacniacz operacyjny w.cz. (typu TSH 151) o bardzo dużej impedancji wejściowej i małej pojemności. Poprzez zastosowanie wysokoimpedancyjnego wzmacniacza wejściowego, ograniczono niekorzystny wpływ zrównoleglenia pojemności obwodu rezonansowego rezystancją wejściową wzmacniacza. W trakcie prowadzonych prac korzystano ze wskazówek zawartych w [15, 16, 37, 38, 54, 55, 76].

Wstępnym etapem prac było zmierzenie podstawowych wartości parametrów elementów użytych do budowy przetwornika pomiarowego. Pomiary wykonywano mostkiem RLC typu MT 4090. Pojemność kondensatora oraz parametry cewki (L) mierzone były przy częstotliwości 200 kHz. W trakcie prac badawczych, poprzez porównanie wyników uzyskanych z pomiarów oraz wyników modelowania, skorygowano wartości współczynników matematycznego modelu

przetwornika pomiarowego w stosunku do wstępnie wyznaczonych. Podstawowym kryterium weryfikacji tych współczynników była zbieżność wyników pomiaru z wynikami uzyskanymi na podstawie modelowania.