ergonomicznej i niezawodnej konstrukcji, prostoty obsługi i szybkości aplikacji krótkiego czasu uzyskania wyniku.

Tendencje do rozwoju technik i narzędzi pomiarowych:

 dążenie do „ucyfrowienia” badanych i przetwarzanych wielkości i zjawisk,

 zwiększenie sprawności przesyłania dużych strumieni sygnałów cyfrowych i rozwój układów sprzęgających,

 komputerowe wspomaganie projektowania, modelowania i symulowania procesów zachodzących w obiektach pomiaru,

 komputeryzacja i wirtualne systemy pomiarowe,

 wzrost znaczenia fotoniki i optoelektronicznych metod pomiarowych,

 automatyzacja pozyskiwania i obróbki sygnałów pomiarowych

 doskonalenie znanych oraz opracowywanie nowych metod pomiarowych,

 rozwój inteligentnych czujników wielkości nieelektrycznych, budowanych na bazie mikromechaniki krzemowej (w tym np. biosensorów),

 akredytacja laboratoriów zajmujących się kalibracją urządzeń i systemów pomiarowych,

 badanie kompatybilności elektromagnetycznej urządzeń pomiarowych,

telekomunikacyjnych, informatycznych oraz sprzętu technicznego powszechnego użytku,

 badanie bezpieczeństwa użytkowników.

Od aparatury pomiarowej wymaga się:

 ergonomicznej i niezawodnej konstrukcji,

 prostoty obsługi i szybkości aplikacji

 krótkiego czasu uzyskania wyniku.

Konieczne jest zapewnienie:

 możliwie dużej rozdzielczości i czułości na zmiany wartości mierzonej wielkości lub przejawu stanu obiektu,

 możliwie małej wrażliwości na szumy, zakłócenia i inne wielkości niż wielkość mierzona,

 powtarzalności i wystarczającej dokładności uzyskiwanych wyników.

Główne czynniki warunkujące wiarygodność wyniku pomiaru:

 czułość na zmiany wartości mierzonej wielkości p (możliwie największa),

 wrażliwość na szumy i zakłócenia - w tym na inne wielkości niż p (możliwie najmniejsza),

 rozdzielczość detekcji zmian p (możliwie najwyższa),

 znajomość dokładności wyniku p_Y (zalecany poziom ufności a ł 0.95),

 procedury wzorcowania i kalibracji wskazań,

 ergonomia konstrukcji, która winna być przyjazna obiektowi, użytkownikowi i środowisku.

Urządzenie pomiarowe cechują parametry statyczne:

 rozdzielczość czyli najmniejsza zmiana wskazania, nastawienia lub położenia, która może być zauważona (odczytana) przez użytkownika,

 czułość wyznaczana jako iloraz przyrostu odpowiedzi urządzenia i odpowiadającego mu przyrostu sygnału wejściowego,

 dokładność, która określa na ile wskazania przyrządu są bliskie nieznanej wartości prawdziwej mierzonej wielkości.

Dla przyrządu winna być zachowana relacja: rozdzielczość wyższa niż czułość, czułość lepsza niż dokładność.

Dobór elementów systemu pomiarowego wymaga uwzględnienia:

 cel i przeznaczenie pomiarów,

 zakres wiedzy o obiekcie badanym i wielkościach go opisujących,

 definicja wielkości mierzonej,

 wymagania stawiane co do rozdzielczości, dokładności, zakresu, czasu trwania pomiarów, sposobu ekspozycji wyników,

 ograniczenia istniejące w zakresie realizacji pomiarów, a związane z użytkownikami systemu, dopuszczalnymi kosztami, dostępną aparaturą.

Podstawowe wielkości opisujące napięcia zmienne:

 wartość chwilowa napięcia u(t)

 wartość skuteczna napięcia U – wzór całkowy, definicja „cieplna”

 wartość maksymalna U_m

 wartość międzyszczytowa Upp (dla przebiegu symetrycznego Upp = 2Um)

 współczynnik kształtu k_s – wzór

 współczynnik szczytu k_sz – wzór

 wartość średnia przebiegu wyprostowanego Uśr – wzór całkowy

 wartość średnia (składowa stała) – wzór całkowy

 częstotliwość

 symetria lub asymetria przebiegu

t u(t)

UU_śr 0 U_m

u(t)=0 U_pp

T

Detektory napięć

 Układy próbkująco-pamiętające (śledząco-pamiętające) – pracują jako analizatory zarejestrowanych przebiegów czasowych oraz dyskryminatory napięć

 Detektory wartości średniej – bierne lub aktywne filtry dolnoprzepustowe lub przetworniki magnetoelektryczne (bez prostownika)

 Detektory wartości średniej przebiegu wyprostowanego – przetworniki

magnetoelektryczne z prostownikiem lub przetworniki A/C (podwójnie całkujące) z prostownikiem

Mierniki reagujące na wartość średnią przeskalowane są zgodnie z zależnością:

gdzie:

U_w - wartość wskazana przez miernik,

Uśr - wartość średnia przebiegu wyprostowanego,

k_s - wartość współczynnika kształtu k_s przebiegu sinusoidalnego

Błąd pomiaru wynikający z odkształcenia przebiegu:

gdzie: k_s - wartość współczynnika kształtu przebiegu mierzonego napięcia.

u(t)

S/H

ster

t

u(t)

0

0 0

u₂ u₁ u₂ u₁

t t

U w y st e r

F D P

u(t) U u_wy=(t)

u(t)

0 t

u(t) U (t)_wy

0 t

u(t)

~ śr s

w U k

U  





śr k k

U

U  

 _~ ^~ 1100%



 



 



s s

k U k



 Detektory wartości szczytowej Um i międzyszczytowej Upp –elektroniczne detektory wartości szczytowej i międzyszczytowej

D C u ( t )

U _m

D2C2 D1C1

u(t)

U

t u(t)

0

U_m

U_pp

t u(t)

0

Napięcie wyjściowe z detektora wartości szczytowej Um

Napięcie wyjściowe z detektora wartości międzyszczytowej Upp

Wartości współczynników kształtu ks i błędu względnego U

współczynnik kształtu ks błąd względny U [%]

prostokąt

ks = 1 1 100% 11%

2

2  



 



  



U

sinus

2

~ 2

 

ks U 0

trójkąt

3

 2

ks 1 100% 3,8%

2 4

3  



 



 



U

u(t) = U_m^.sin (wt + f)

t u(t)

UU_śr 0 U_m

u(t)=0 U_pp

T

wartość skuteczna U

2 Um

U

wartość średnia u(t) u t 0 wartość średnia przebiegu

wyprostowanego U_śr U^śr U^m

2 wartość międzyszczytowa Upp Upp= 2Um

współczynnik kształtu ks ^~ 2 2

 

 _s

s k

k współczynnik szczytu ksz ksz 2

T U_pp u(t)

t U U U_m= = _śr

U_pp= 2U_m Um

U

 t 0 u

śr Um

U 

1 ks

1 ksz

U_pp= 2U_m

 t 0 u

U_pp Uśr

U_mu(t) U

T

t

3 Um

U

2

m śr

U U

3

 2 ks

 3 ksz

U_pp= U_m

1 ks

1 ksz u(t)

t U_m= =U U_śr

Um

U

 t Um

u 

śr Um

U 

Do podstawowych parametrów multimetrów należy zaliczyć liczbę cyfr znaczących, rozdzielczość (czułość) oraz niepewność pomiaru. Liczba cyfr znaczących oznacza ile pełnych cyfr (z zakresu od 0 do 9) może być pokazanych na wyświetlaczu miernika. Dodatkowe oznaczenie ułamkowe w postaci ½ lub ¾ oznacza, że na najbardziej znaczącej pozycji wyświetlacza może pojawić się cyfra z zakresu 0 do 1 lub 0 do 3

Rodzaj przetwornika Wskazanie zależy od wartości:

Skalowanie dla przebiegu

magnetoelektryczny średniej -

magnetoelektryczny z prostownikiem

średniej przebiegu

wyprostowanego sinusoidalnego

elektromagnetyczny skutecznej -

elektrodynamiczny,

ferrodynamiczny skutecznej -

elektrostatyczny skutecznej -

podwójnie całkujący średniej -

podwójnie całkujący z prostownikiem

średniej przebiegu

wyprostowanego sinusoidalnego wartości skutecznej na

napięcie stałe („true RMS”) skutecznej -

cieplny skutecznej stałego

detektor wartości szczytowej szczytowej sinusoidalnego

MIERNIKI

ELEKTROMECHANICZNE

MAGNETOELEKTRYCZNE

ELEKTROMAGNETYCZNE ELEKTRODYNAMICZNE/

FERRODYNAMICZNE

ELEKTROSTATYCZNE

MAGNETOELETRYCZNE/ELEKTRMAGNETYCZNE Z ELEKTRONICZNYMI UKŁADAMI WEJŚCIOWYMI

MIERNIKI ELEKTRONICZNE

INTEGRACYJNE

PRÓBKUJĄCE

NAPIĘCIE/CZĘSTOTLIWOŚĆ CAŁKUJĄCE

WIELOKROTNIE CAŁKUJĄCE

POMIAR PRĄDU I NAPIĘCIA AMPEROMIERZEM

POMIAR NAPIĘCIA I PRĄDU WOLTOMIERZEM

POMIAR NAPIĘĆ PRZEMIENNYCH z wykorzystaniem DETEKTORÓW WARTOŚCI SKUTECZNEJ

WOLTOMIERZ - rozszerzenie zakresu pomiarowego

A

R I_V U

I

A

V

I R

U

V

U

A/C

podwójnie całkujący

V

A/C

podwójnie całkujący

True RMS

V

True RMS

R_d= R_v(n-1)

AMPEROMIERZ - rozszerzenie zakresu pomiarowego

PRZEKŁADNIKI PRĄDOWE

Przekładnikiem prądowym nazywa się transformator przeznaczony do zasilania obwodów prądowych przyrządów pomiarowych oraz przekaźników. Posiada dwa uzwojenia (pierwotne i wtórne), nawinięte na wspólnym rdzeniu. Uzwojenie pierwotne włącza się szeregowo do obwodu prądowego, a uzwojenie wtórne służy do zasilania obwodów prądowych przyrządów pomiarowych.

Przekładniki spełniają następujące zadania:

 umożliwiają pomiary za pomocą mierników o niewielkim zakresie (tylko dla prądów przemiennych !),

 oddzielają galwanicznie przyrządy od obwodu kontrolowanego,

 umożliwiają umieszczenie przyrządów w dużej odległości,

 normalną pracą przekładnika prądowego jest stan zbliżony do stanu zwarcia.

PRZEKŁADNIKI NAPIĘCIOWE

Przekładnikiem napięciowym nazywamy transformator pracujący w warunkach zbliżonych do stanu jałowego transformatora.

W układach pomiarowych przekładniki spełniają następujące zadania:

 umożliwiają pomiary za pomocą mierników o niewielkim zakresie,

 oddzielają galwanicznie przyrządy od obwodu kontrolowanego,

 umożliwiają umieszczenie przyrządów w dużej odległości od obwodu kontrolowanego, co zabezpiecza przyrządy od wpływu pól magnetycznych tegoż obwodu.

 normalną pracą przekładnika prądowego jest stan zbliżony do stanu rozwarcia.

WZMACNIACZE OPERACYJNE

Lp. PARAMETR WZMACNIACZ

IDEALNY

WZMACNIACZ RZECZYWISTY

1

różnicowego) w otwartej pętli A_V

 ¹⁰

^{- 10}

^V/V

2 wejściowe napięcie niezrównoważenia u

0 10mV – 10V 3

wsp. temperaturowy wejściowego napięcia

niezrównoważenia

0 10V/C –

0,001V/C 4 wejściowe prądy

polaryzacyjne i

, i

0 1A – 1pA 5 wejściowy prąd

niezrównoważenia i

0 1A – 1pA 6 rezystancje wejściowe  ^{1k – 1G}

7 rezystancja wyjściowa 0 0,1 – 100

DEFINICJE POWYŻSZYCH PARAMETRÓW

Ujemne sprzężenie zwrotne zmniejsza wzmocnienie, co jednak nie jest negatywnym zjawiskiem, ponieważ

 Poszerza zakres pracy liniowej,

 Zmniejsza wrażliwość na zakłócenia,

 Poszerza pasmo przenoszenia,

 Parametry wzmacniacza objętego pętlą sprzężenia zwrotnego zależą w zasadzie wyłącznie od elementów wchodzących w skład obwodów sprzężenia zwrotnego.

Podstawowe układy pracy wzmacniaczy operacyjnych (ich schematy, równania i właściwości):

 Wzmacniacz odwracający

 Wzmacniacz nieodwracający

 Wtórnik

 Wzmacniacz różnicowy

Lp. PARAMETR WZMACNIACZ

IDEALNY

WZMACNIACZ RZECZYWISTY

8

współbieżnego CMRR

 40dB – 140dB

9 pasmo w otwartej pętli

sprzężenia (A

= 1)  10kHz – 1GHz 10 szybkość zmian napięcia

na wyjściu SR  0,01V/s –

2000V/s 11 czas ustalania odpowiedzi 0 100s – 10ns

12 zasilanie -

asymetryczne

13 zakres napięć wejściowych -

-V_cc+3V, +V_cc-3V, -Vcc, +Vcc, -V_cc-1V, +V_cc,

14 zakres napięć wyjściowych -

cc, +Vcc

MIARY DYNAMIKI (ich opis):

 Pasmo przenoszenia

o Charakterystyka amplitudowa o Charakterystyka fazowa

 Odpowiedź skokowa

 Odpowiedź impulsowa

td czas opóźnienia ta czas połówkowy tre czas odpowiedzi

tr / tf czas narastania / czas opadania ts czas ustalania odpowiedzi Mf wartość końcowa

Mp wartość maksymalna Ms wartość przedziału ustalania e margines odpowiedzi

Podstawowe przetworniki A/C i ich zasada działania

u(t)

t

t_r

t_d t_a

t_s

0 0,1

M_p 1,0

0,9

0,5

M_f

t_re

Ms = Mf·