Technika pomiarowa (Tumański S.)

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
//-->ydawnictwa Naukowo-Techniczne !ujxmebm smu m tmtm&, isa r>nftav ■««yĄSpis treściP rz e d m o w a ................................................................................................................9Literatura z dziedziny m ie r n ic t w a ............................................................................151.Wprowadzenie do miernictwa e le k try c z n e g o .......................................19L iteratu ra..................................................................................................292.2.1.2.2.2.3.2.3.1.2.3.2.2.3.3.2.3.4.2.4.2.4.1.2.4.2.2.4.3.2.4.4.Podstawy miernictwa e le k try c z n e g o .......................................................30Podstawowe pojęcia miernictwa elektrycznego............................................. 3033Główne metody pom iarow e.....................................................................Podstawy teorii błędów i niepewności p o m iaró w .........................................3939Błąd, dokładność, niepewność wyniku p o m ia ru .....................................Podstawowe wiadomości z rachunku prawdopodobieństwa....................44Metody oszacowania i wstępnej eliminacji składowych błędu pomiaru48Określanie niepewności p o m ia ru .............................................................58Wzorce jednostek elektrycznych..........................63Wzorce, etalony, kalibratory...........................................................................63Wzorce elektryczne oparte na definicji zjawiska fizycznego . . . .63Materialne wzorce wielkości elektrycznych...................................................68Multimetry wzorcowe i kalibratory ............................................................... 74L iteratu ra..................................................................................................753.3.1.3.1.1.3.1.2.3.1.3.3.1.4.3.1.5.Miernictwo k la s y c z n e ................................................................................... 77Elektromechaniczne przyrządy pom iarow e..............................................77Przyrządy elektromechaniczne czy przyrządy cy fro w e ? ............................... 77Mierniki magnetoelektryczne.......................................................................... 78Mierniki elektromagnetyczne....................................................................84Watomierze elektrodynamiczne .......................................................85Liczniki indukcyjne..................................................................................8963.2.3.2.1.3.2.2.3.3.3.3.1.3.3.2.3.3.3.3.3.4.3.3.5.3.3.6.3.4.3.4.1.3.4.2.Spis treściSpis treści____________]_Przyrządy rejestrujące . . . ' ................................................................91Podstawy techniki oscyloskopowej................................................................ 91R ejestratory...............................................................................................9798Układy m ostk ow e....................................................................................Układy mostkowe zrównoważone i niezrównoważone . . . . . .98Układy mostkowe prądu s ta łe g o .................................................................. 100Układy mostkowe prądu przem iennego....................................................... 102Mostki transformatorowe.............................................................................. 108Układy mostkowe niezrównoważone............................................................110Układy alternatywne dla układów mostkowych, pętla Andersona ..116Metody kompensacyjne i kom paracyjne.............................117Układy kompensacyjne................................................................................. 117Układy kom paracyjne....................................................................................118L iteratu ra .......................................................................................................1215.3il.5.3.2.5.3.3.5.3.4.5 4.5 4.1.5.4.2.5.4.3.5.4.4.5.4.5.5.4.6.5.5.5.5.1.5.5.2.5.5.3.5.5.4.4.4.1.4.2.4.3.4.4.4.5.4.5.1.4.5.2.4.5.3.4.5.4.4.5.5.4.5.6.4.6.4.7.4.7.1.4.7.2.4.7.3.Analogowe przetwarzanie sygnałów pomiarowych.... ,123Sygnały pomiarowe i ich przetwarzanie .123Kondycjonowanie rezystancji, pojemności i indukcyjności . . . .127Przetwarzanie A C /D C ................................................................................... 133Przetwarzanie napięcia na częstotliwość......................................................141Wzmacnianie s y g n a łu ....................................................................143Wzmacniacze różnicowe, operacyjne i instrumentalne................................143Wzmacniacze iz o lu ją c e .........................146Wzmacniacze bardzo małych napięć stałych (autozero)............................. 149Wzmacniacze bardzo małych napięć przemiennych (homodynowe)153Wzmacniacze o wielkiej rezystancji wejściowej (elektrometry). . . 157Wzmacniacze realizujące funkcje matematyczne . . . . . . . .159Sprzężenie zwrotne w przetwornikach pom iarow ych.................................. 165Poprawa jakości przetwarzania sygnału analogowego . . . . . . 174Szumy i zakłócenia s y g n a łu ......................................................................... 174Przesyłanie sygnału do w zm acniacza...........................................................178Analogowa filtracja s y g n a łu .............................184L iteratu ra.......................................................................................................193Podstawowe pojęcia teorii cyfrowego przetwarzania sygnałów . . . 232Dyskretna transformata Fouriera (DFT) i szybka transformata Fouriera( F F T ) ............................................................................................................ 240Analiza ezasowo-częstotliwościowa sygnałów - transformatafalkowa248Filtry c y fro w e ............................................................................................... 253Przykłady wykorzystania cyfrowego przetwarzania sygnałów267pom iarow ych............................Analiza w id m o w a......................................................................................... 267Cyfrowa synteza sy g n ałó w ........................................................................... 276Odzyskiwanie sygnału i cyfrowa poprawa jego jakości . . . . .281Cyfrowe przyrządy pom iarow e.................................................................... 289Oscyloskopy c y fro w e ....................................................................................295Cyfrowe przetwarzanie mocy i e n e r g ii....................................................... 299Narzędzia sztucznej inteligencji w przetwarzaniu sygnałówpom iarowych................................................................................................ 301Co to jest sztuczna inteligencja?................................................................. 301Filtry adaptacyjne..........................................................................................302Sztuczne sieci neuronow e.............................................................................305Systemy logiki ro z m y te j...............................................................................312L iteratu ra...................................................................................................... 3166.6.1.6.2.6.2.1.6.2.2.6.2.3.6.2.4.6.2.5.6.3.6.4.6.4.1.6.4.2.6.4.3.6.4.4.6.4.5.6.4.6.6.4.7.6.4.8.6.4.9.6.4.10.6.4.11.6.4.12.6.4.13.Komputerowe systemy p o m ia r o w e .......................................................319Wiadomości o g ó ln e .......................................................................................319Obwody wejściowe systemów pom iarow ych............................................... 323Obwody kondycjonowania i zbierania d a n y c h ............................................ 323Czujniki z wbudowanym interfejsem - czujniki inteligentne . . . .324Nadajniki analogowe i c y fro w e ................................................................... 325Układy rejestratorów danych do zdalnego poboru sygnałów z czujników 327Czujniki inteligentne - standard IEEE P1451329Układy zbierania danych - karta pomiarowa ( D A Q ) .................................333Układy komunikacji i transmisji d a n y c h .....................................................337Interfejsy, magistrale, z łą c z a ........................................................................ 337Interfejsy szeregowe RS-232C i RS-485 ................................................ 338Interfejsy szeregowe USB oraz FireWire (IEEE-1394).......................... 343Interfejs równoległy GPIB (IEEE-488/IEC-625)..................................... 346Interfejsy komunikacji bezprzewodowej: IrDA, Błuetooth, WUSB . . 351Telefonia komórkowa GSM i UTMS jako narzędzie transmisji danych 354Komunikacja radiowa w systemie przesyłania d a n y c h ............................... 358Sieciowe systemy pomiarowe - E th e rn e t.................................................... 361Wykorzystanie sieci energetycznych do przesyłania informacji- sieci P L C ..................................................................................................364Interfejs HART i standard 4-s-20 m A .......................................................... 365Interfejsy specjalizowane: CAN, I2C, MicroLAN, S D I-1 2 ......................... 367Systemy modułowe: VXI, P X I .....................................................................371Magistrale przemysłowe: FieldBus, ProfiBus, Industrial IT .3735.5.1.5.1.1.5.1.2.5.1.3.5.2.5.2.1.5.2.2.5.2.3.5.3.Cyfrowe przetwarzanie sygnałów p o m ia ro w y c h ...............................195Przetworniki analogowo-cyfrowe.................................................................. 195Próbkowanie, kwantowanie i kodowanie sygnałów . . . . . . . 195Rodzaje przetworników analogowo-cyfrowych............................................ 205Parametry opisujące właściwości przetworników analogowo-cyfrowych220Przetworniki cyfrowo-analogowe.................................................................. 223Rekonstrukcja sygnału analogow ego............................................................ 223Rodzaje przetworników cyfrowo-analogowych............................................ 226Parametry opisujące właściwości przetworników cyfrowo-analogowych230Narzędzia cyfrowego przetwarzania sygnałów pomiarowych . . . .2328Spis treści6.4.14. Uniwersalny język programowania przyrządów pomiarowych- SCPI .3776.5.Wykorzystanie mikrokontrolerów w systemach pomiarowych- mikrosystemy pom iarow e.........................................................................3796.5.1.Procesory sygnałowe i mikrokontrolery w technice pomiarowej .. 3796.5.2. Mikrointerfejsy: SPI i U A R T ...................................................................... 3896.6.Wirtualne przyrządy pom iarow e.................................................................. 3926.6.1. Co to jest wirtualny przyrząd pom iarow y............................................. 3926.6.2. T estP o in t....................................................................................................... 3946.6.3.Agilent VEE P r o .......................................................................................... 3996.6.4.Pakiet programowy LabV i e w .....................................................................4016.7.Przykłady komputerowych systemów pom iarow ych................................... 4086.7.1.Komputerowy system pomiarowy do badania materiałówmagnetycznych............................................................................................. 4086.7.2.System komputerowy do wymuszania zadanego kształtusygnałumagnesującego..............................................................................................4116.7.3.Komputerowy system pomiarowy do skanowania pól magnetycznych- magnetow izja............................................................................................415L iteratu ra...................................................................................................... 418PrzedmowaSkorowidz420Zarowno w Polsce, jak i na świecie jest wydawanych wiele książek poświęconychmiernictwu elektrycznemu1. Niestety w wielu z nich, a szczególnie w podręcz­nikach, czas często zatrzymał się pod koniec ubiegłego wieku. O ile na ogółdobrze lub bardzo dobrze opisywane jest tak zwane miernictwo klasyczne, o tylenowe kierunki rozwoju miernictwa są traktowane dość powierzchownie lubwycinkowo. Tymczasem postęp w miernictwie jest tak znaczny, że nawet dzisiej­szą wiedzę od tej sprzed dziesięciu lat dzieli przepaść.Brak całościowego opisu współczesnego miernictwa w wielu podręcznikach możnaprobować wytłumaczyć. Po pierwsze, przy szybko zmieniających się kierunkach rozwojumiernictwa, w tym także pewnych chwilowych modach, wielu autorów wciąż czeka naustabilizowanie się stanu wiedzy. Takiego momentu zatrzymania rozwoju można sięobawiać jednak już nie będzie. Drugi istotny problem to fakt, że zmniejsza się liczbaspecjalistów mogących ogarnąć miernictwo jako całość. Miernictwo obejmuje wciążnowe obszary wiedzy, a tymczasem fachowcy są coraz bardziej wąsko wyspecjalizowani.Nic więc dziwnego, że ukazuje się wiele wartościowych monografii, dotyczącychnowoczesnego miernictwa, ale niestety ograniczonych do wąskiej specjalności autora.Pewnym rozwiązaniem w tej sytuacji jest publikowanie prac zbiorowychkilkudziesięciu autorów. Przykładem może być wydane przez Wileya dziełoHandbook o f Measuring System Designpod redakcją P. H. Sydenhama. Niestetyksiążki typu poradnika, mimo że bardzo obszerne (ta wymieniona ma 1600 stroni kosztuje około tysiąc euro), zawierają raczej wiedzę encyklopedyczną czyinformacje słownikowe na bardzo nierównym poziomie i nie mogą zastąpićsystematycznego podręcznika. Pisząc tę książkę miałem świadomość własnychograniczeń (każdy zna pewne dziedziny lepiej, a inne gorzej), ale mimo touznałem, że tylko praca pisana konsekwentnie przez jednego autora będziewewnętrznie spójną całością i nie będzie zlepkiem przypadkowych haseł.'N a stronie 15 jest zamieszczony spis wybranych pozycji literatury z dziedziny miernictwa(wydanych w ostatnich latach).10Technika pomiarowaPrzedmowa11Spróbujmy spojrzeć obiektywnie na współczesne miernictwo elektrycznei odpowiedzieć na pytanie: w jakim kierunku ono zmierza? Niewątpliwie dominu­jącym trendem (dotyczącym zresztą nie tylko miernictwa) jest wszechobecnośćmikroelektroniki i informatyki. Jest oczywiste, że w czasach, gdy nawet maszynkado golenia jest sterowana mikroprocesorem, konstruktorzy bardziej wyrafinowa­nego sprzętu pomiarowego wykorzystują wszelkie współczesne możliwości infor­matyki. Komputerowe systemy pomiarowe, w tym wirtualne przyrządy pomiaro­we, będą jeszcze przez długi czas obszarem, w którym dzieje się najwięcej.Zastosowanie elementów mikroelektronicznych i informatyki w sprzęciepomiarowym rodzi dość istotne konsekwencje. Obserwujemy na przykład stagna­cję w dziedzinie sprzętu klasycznego (mierniki elektromechaniczne, mostki, kom­pensatory itp.), ponieważ sprzęt ten nie nadaje się do wykorzystania w systemachpomiarowych, gdyż na ogół nie ma interfejsu wyjściowego. Obserwujemy teżwyraźny zastój w zakresie konstrukcji sprzętu pomiarowego - w czasach kiedyprzeciętny inżynier, dysponując dobrej jakości kartą pomiarową i komputerem,jest w stanie za pomocą platformy programowej typu LabView zrealizowaćdowolny przyrząd pomiarowy, nie ma sensu obstawiać się drogim sprzętem.Zresztą generalną tendencją jest wypieranie miernictwa, w którym wykorzystujesię głównie sprzęt, przez miernictwo, w którym dominuje oprogramowanie i dob­ry pomysł (pewnym wyjątkiem są pomiary za pomocą przyrządów najwyższejklasy o bardzo dużej dokładności).Inne wyraźnie dostrzegalne zmiany to powszechność i niska cena sprzętumikroelektronicznego uchodzącego kiedyś za wyrafinowany. Przetworniki analogo­wo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe o znakomitych parametrach, mnożniki, przetwor­niki wartości skutecznej, wysokiej jakości wzmacniacze o dokładnościach zarezer­wowanych dawniej dla najdroższych przyrządów dziś są dostępne za cenę niższąniż koszula w supermarkecie. W zasadzie zanika podział na miernictwo cyfrowei analogowe, ponieważ obie te dziedziny nie mogą istnieć bez siebie. Podobniezanika podział na miernictwo wielkości elektrycznych i nieelektrycznych. Widocz­ny jest rozwój szczególnie w zakresie czujników. Stają się one jednym z ważniej­szych elementów współczesnego miernictwa. Nie są to jednak znane od lat prosteczujniki wybranych wielkości, ale zgodnie z najnowszą normą IEEE P I451 są toczujniki wyposażone w interfejs komputerowy, wyjście sieciowe typu Ethernet lubłącze bezprzewodowe. Nawet tak tradycyjna wiedza, jak nauka o błędach ulegław ostatnich latach całkowitej odmianie za sprawą wydanego w 1993 roku przezISO przewodnika dotyczącego teorii niepewności (patrz s. 39-62).Dziś typowe pomiary wielkości elektrycznych i nieelektrycznych są w wię­kszości zagadnieniem znanym i łatwym w realizacji. Natomiast najważniejszymiproblemami miernictwa stają się: przetworzenie wartości mierzonej na sygnałelektryczny (czujniki i układy kondycjonowania), przetworzenie sygnału analogo­wego (wzmocnienie, usunięcie szumów i zakłóceń), wykorzystanie narzędzi cyf­rowych do przetworzenia i analizy sygnału pomiarowego oraz wykorzystanienarzędzi informatycznych do tworzenia systemów pomiarowych.Oczywiście znajomość zasad miernictwa klasycznego jest wartością samąw sobie, ponieważ ułatwia zrozumienie miernictwa nowoczesnego, w którym zresztąw dużym stopniu wykorzystuje się idee technik klasycznych. Ale też nie jest tak, żenowe techniki są tylko bardziej sprawnymi sposobami realizacji znanych metodpomiarowych. Nowe techniki oferują możliwości po prostu nieznane dawniej.Drobny przykład. Przez lata kompensator i mostek Wheatstone’a były dla pomiarow-ców, kto wie, czy nie najważniejszymi przyrządami pomiarowymi, ponieważ sprzętten umożliwiał pomiar napięcia, prądu i rezystancji z najlepszą precyzją. Przez latastudenci byli dręczeni wiedzą o kompensatorze Feussnera czy doborze galwanomet-ru do mostka. Dziś, gdy patrzy się na ten sprzęt, widać, że na przykład wyrafinowanarpprtianic7na konstrukcja dekady Feussnera (jak zrobić rezystor o zmiennejrezystancji, a jednocześnie niezmiennej rezystancji widzianej z zacisków zasilania)była spowodowana tym, że nie potrafiono za czasów Feussnera zrealizować źródłaprądowego dostatecznie dobrej jakości. Także metoda mostkowa do pomiarurezystancji przegrywa z prostą metodą techniczną (prawem Ohma) w sytuacji, kiedyjesteśmy w stanie zrealizować zasilanie rezystora prądem o bardzo dokładniestabilizowanej wartości (czego na pewno nie było w czasach Wheatstone’a). Takichprzykładów przewartościowania klasycznych pojęć i przyzwyczajeń jest wiele.Takie właśnie spojrzenie na kierunki rozwoju miernictwa stało się podstawąmojej decyzji o doborze materiału książki. Początkowo zamierzałem napisaćksiążkę, w której miernictwo elektryczne całościowo byłoby ujęte od podstawo­wych pojęć do metod, algorytmów pomiarowych i przyrządów. Niestety okazałosię, że takie całościowe spojrzenie wymagałoby co najmniej 1000 stron. Zarównoz technicznego punktu widzenia, jak i ekonomicznego wydanie takiej pozycjimogłoby być dość ryzykownym przedsięwzięciem. Dlatego dokonałem podziałumateriału na dwie niezależne części - pierwszą zatytułowanąTechnika pomiaro­wai drugą, zatytułowanąZastosowania miernictwa elektrycznego.Przy takim podziale wiedzy o pomiarach proponowana obecnie książkazawiera wspólne dla całego miernictwa zagadnienia podstawowe. Nie jest topierwsza część jakiejś większej całości, ale samodzielna pozycja wydawnicza,mająca dać wiedzę o zasadach miernictwa. Przy takim ujęciu ewentualna drugaksiążkaZastosowania miernictwa elektrycznegobyłaby ilustracją i przykłademzastosowania wiedzy podanej w pierwszej książce.Niezwykle ważne było wybranie materiału, który uznałem za podstawowyi wspólny dla całego miernictwa. Zgodnie z przedstawionym wyżej stanemtechniki książka dzieli się na trzy części: część pierwsza tomiernictwo klasyczne(rozdziały 1 i 2 są poświęcone podstawowym pojęciom, teorii niepewności,wzorcom, przyrządom elektromechanicznym, układom mostkowym, kompensa­cyjnym i komparacyjnym); część druga toprzetwarzanie sygnałów(rozdziały3 i 4 są poświęcone analogowym i cyfrowym metodom przetwarzania sygnałów),a część trzecia tosystemy pomiaroweimiernictwo wirtualne.Dokonałem selekcji materiału z zakresu miernictwa klasycznego. Wybrałemtylko te działy, które są niejako ponadczasowe. Przyswojenie wiadomości z tych [ Pobierz całość w formacie PDF ]