Sławomir Tumański - Technika pomiarowa (WNT 2006).pdf

(21640 KB) Pobierz
ydawnictwa Naukowo-Techniczne !
u
jx
m
eb
m smu m tmtm&, i
sa r
>
nftav ■
««
y
Ą
Spis treści
P rz e d m o w a ................................................................................................................
9
Literatura z dziedziny m ie r n ic t w a ............................................................................15
1.
Wprowadzenie do miernictwa e le k try c z n e g o .......................................19
L iteratu ra..................................................................................................
29
2.
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 .......................................................30
Podstawowe pojęcia miernictwa elektrycznego............................................. 30
33
Główne metody pom iarow e.....................................................................
Podstawy teorii błędów i niepewności p o m iaró w .........................................39
39
Błąd, dokładność, niepewność wyniku p o m ia ru .....................................
Podstawowe wiadomości z rachunku prawdopodobieństwa....................
44
Metody oszacowania i wstępnej eliminacji składowych błędu pomiaru
48
Określanie niepewności p o m ia ru .............................................................
58
Wzorce jednostek elektrycznych..........................
63
Wzorce, etalony, kalibratory...........................................................................63
Wzorce elektryczne oparte na definicji zjawiska fizycznego . . . .
63
Materialne wzorce wielkości elektrycznych...................................................68
Multimetry wzorcowe i kalibratory ............................................................... 74
L iteratu ra..................................................................................................
75
3.
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 ................................................................................... 77
Elektromechaniczne przyrządy pom iarow e..............................................
77
Przyrządy elektromechaniczne czy przyrządy cy fro w e ? ............................... 77
Mierniki magnetoelektryczne.......................................................................... 78
Mierniki elektromagnetyczne....................................................................
84
Watomierze elektrodynamiczne .
......................................................
85
Liczniki indukcyjne..................................................................................
89
6
3.2.
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 treści
Spis treści
____________
]_
Przyrządy rejestrujące . . . ' ................................................................
91
Podstawy techniki oscyloskopowej................................................................ 91
R ejestratory...............................................................................................
97
98
Układy m ostk ow e....................................................................................
Układy mostkowe zrównoważone i niezrównoważone . . . . . .
98
Układy mostkowe prądu s ta łe g o .................................................................. 100
Układy mostkowe prądu przem iennego....................................................... 102
Mostki transformatorowe.............................................................................. 108
Układy mostkowe niezrównoważone............................................................110
Układy alternatywne dla układów mostkowych, pętla Andersona .
.116
Metody kompensacyjne i kom paracyjne.............................
117
Układy kompensacyjne................................................................................. 117
Układy kom paracyjne....................................................................................118
L iteratu ra .......................................................................................................121
5.3il.
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
.
.
.
. ,123
Sygnały pomiarowe i ich przetwarzanie .
123
Kondycjonowanie rezystancji, pojemności i indukcyjności . . . .
127
Przetwarzanie A C /D C ................................................................................... 133
Przetwarzanie napięcia na częstotliwość......................................................141
Wzmacnianie s y g n a łu ....................................................................
143
Wzmacniacze różnicowe, operacyjne i instrumentalne................................143
Wzmacniacze iz o lu ją c e .........................
146
Wzmacniacze bardzo małych napięć stałych (autozero)............................. 149
Wzmacniacze bardzo małych napięć przemiennych (homodynowe)
153
Wzmacniacze o wielkiej rezystancji wejściowej (elektrometry)
. . . 157
Wzmacniacze realizujące funkcje matematyczne . . . . . . . .
159
Sprzężenie zwrotne w przetwornikach pom iarow ych.................................. 165
Poprawa jakości przetwarzania sygnału analogowego . . . . . . 174
Szumy i zakłócenia s y g n a łu ......................................................................... 174
Przesyłanie sygnału do w zm acniacza...........................................................178
Analogowa filtracja s y g n a łu .............................
184
L iteratu ra.......................................................................................................193
Podstawowe pojęcia teorii cyfrowego przetwarzania sygnałów . . . 232
Dyskretna transformata Fouriera (DFT) i szybka transformata Fouriera
( F F T ) ............................................................................................................ 240
Analiza ezasowo-częstotliwościowa sygnałów - transformatafalkowa
248
Filtry c y fro w e ............................................................................................... 253
Przykłady wykorzystania cyfrowego przetwarzania sygnałów
267
pom iarow ych............................
Analiza w id m o w a......................................................................................... 267
Cyfrowa synteza sy g n ałó w ........................................................................... 276
Odzyskiwanie sygnału i cyfrowa poprawa jego jakości . . . . .
281
Cyfrowe przyrządy pom iarow e.................................................................... 289
Oscyloskopy c y fro w e ....................................................................................295
Cyfrowe przetwarzanie mocy i e n e r g ii....................................................... 299
Narzędzia sztucznej inteligencji w przetwarzaniu sygnałów
pom iarowych................................................................................................ 301
Co to jest sztuczna inteligencja?................................................................. 301
Filtry adaptacyjne..........................................................................................302
Sztuczne sieci neuronow e.............................................................................305
Systemy logiki ro z m y te j...............................................................................312
L iteratu ra...................................................................................................... 316
6.
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 .......................................................319
Wiadomości o g ó ln e .......................................................................................319
Obwody wejściowe systemów pom iarow ych............................................... 323
Obwody kondycjonowania i zbierania d a n y c h ............................................ 323
Czujniki z wbudowanym interfejsem - czujniki inteligentne . . . .
324
Nadajniki analogowe i c y fro w e ................................................................... 325
Układy rejestratorów danych do zdalnego poboru sygnałów z czujników 327
Czujniki inteligentne - standard IEEE P1451
329
Układy zbierania danych - karta pomiarowa ( D A Q ) .................................333
Układy komunikacji i transmisji d a n y c h .....................................................337
Interfejsy, magistrale, z łą c z a ........................................................................ 337
Interfejsy szeregowe RS-232C i RS-485 ................................................ 338
Interfejsy szeregowe USB oraz FireWire (IEEE-1394).......................... 343
Interfejs równoległy GPIB (IEEE-488/IEC-625)..................................... 346
Interfejsy komunikacji bezprzewodowej: IrDA, Błuetooth, WUSB . . 351
Telefonia komórkowa GSM i UTMS jako narzędzie transmisji danych 354
Komunikacja radiowa w systemie przesyłania d a n y c h ............................... 358
Sieciowe systemy pomiarowe - E th e rn e t.................................................... 361
Wykorzystanie sieci energetycznych do przesyłania informacji
- sieci P L C ..................................................................................................364
Interfejs HART i standard 4-s-20 m A .......................................................... 365
Interfejsy specjalizowane: CAN, I2C, MicroLAN, S D I-1 2 ......................... 367
Systemy modułowe: VXI, P X I .....................................................................371
Magistrale przemysłowe: FieldBus, ProfiBus, Industrial IT .
373
5.
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 ...............................195
Przetworniki analogowo-cyfrowe.................................................................. 195
Próbkowanie, kwantowanie i kodowanie sygnałów . . . . . . . 195
Rodzaje przetworników analogowo-cyfrowych............................................ 205
Parametry opisujące właściwości przetworników analogowo-cyfrowych
220
Przetworniki cyfrowo-analogowe.................................................................. 223
Rekonstrukcja sygnału analogow ego............................................................ 223
Rodzaje przetworników cyfrowo-analogowych............................................ 226
Parametry opisujące właściwości przetworników cyfrowo-analogowych
230
Narzędzia cyfrowego przetwarzania sygnałów pomiarowych . . . .
232
8
Spis treści
6.4.14. Uniwersalny język programowania przyrządów pomiarowych- SCPI .
377
6.5.
Wykorzystanie mikrokontrolerów w systemach pomiarowych
- mikrosystemy pom iarow e.........................................................................379
6.5.1.
Procesory sygnałowe i mikrokontrolery w technice pomiarowej .
. 379
6.5.2. Mikrointerfejsy: SPI i U A R T ...................................................................... 389
6.6.
Wirtualne przyrządy pom iarow e.................................................................. 392
6.6.1. Co to jest wirtualny przyrząd pom iarow y............................................. 392
6.6.2. T estP o in t....................................................................................................... 394
6.6.3.
Agilent VEE P r o .......................................................................................... 399
6.6.4.
Pakiet programowy LabV i e w .....................................................................401
6.7.
Przykłady komputerowych systemów pom iarow ych................................... 408
6.7.1.
Komputerowy system pomiarowy do badania materiałów
magnetycznych............................................................................................. 408
6.7.2.
System komputerowy do wymuszania zadanego kształtusygnału
magnesującego..............................................................................................411
6.7.3.
Komputerowy system pomiarowy do skanowania pól magnetycznych
- magnetow izja............................................................................................415
L iteratu ra...................................................................................................... 418
Przedmowa
Skorowidz
420
Zarowno w Polsce, jak i na świecie jest wydawanych wiele książek poświęconych
miernictwu elektrycznemu1. Niestety w wielu z nich, a szczególnie w podręcz­
nikach, czas często zatrzymał się pod koniec ubiegłego wieku. O ile na ogół
dobrze lub bardzo dobrze opisywane jest tak zwane miernictwo klasyczne, o tyle
nowe kierunki rozwoju miernictwa są traktowane dość powierzchownie lub
wycinkowo. Tymczasem postęp w miernictwie jest tak znaczny, że nawet dzisiej­
szą wiedzę od tej sprzed dziesięciu lat dzieli przepaść.
Brak całościowego opisu współczesnego miernictwa w wielu podręcznikach można
probować wytłumaczyć. Po pierwsze, przy szybko zmieniających się kierunkach rozwoju
miernictwa, w tym także pewnych chwilowych modach, wielu autorów wciąż czeka na
ustabilizowanie się stanu wiedzy. Takiego momentu zatrzymania rozwoju można się
obawiać jednak już nie będzie. Drugi istotny problem to fakt, że zmniejsza się liczba
specjalistów mogących ogarnąć miernictwo jako całość. Miernictwo obejmuje wciąż
nowe obszary wiedzy, a tymczasem fachowcy są coraz bardziej wąsko wyspecjalizowani.
Nic więc dziwnego, że ukazuje się wiele wartościowych monografii, dotyczących
nowoczesnego miernictwa, ale niestety ograniczonych do wąskiej specjalności autora.
Pewnym rozwiązaniem w tej sytuacji jest publikowanie prac zbiorowych
kilkudziesięciu autorów. Przykładem może być wydane przez Wileya dzieło
Handbook o f Measuring System Design
pod redakcją P. H. Sydenhama. Niestety
książki typu poradnika, mimo że bardzo obszerne (ta wymieniona ma 1600 stron
i kosztuje około tysiąc euro), zawierają raczej wiedzę encyklopedyczną czy
informacje słownikowe na bardzo nierównym poziomie i nie mogą zastąpić
systematycznego podręcznika. Pisząc tę książkę miałem świadomość własnych
ograniczeń (każdy zna pewne dziedziny lepiej, a inne gorzej), ale mimo to
uznałem, że tylko praca pisana konsekwentnie przez jednego autora będzie
wewnętrznie 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).
10
Technika pomiarowa
Przedmowa
11
Spróbujmy spojrzeć obiektywnie na współczesne miernictwo elektryczne
i odpowiedzieć na pytanie: w jakim kierunku ono zmierza? Niewątpliwie dominu­
jącym trendem (dotyczącym zresztą nie tylko miernictwa) jest wszechobecność
mikroelektroniki i informatyki. Jest oczywiste, że w czasach, gdy nawet maszynka
do golenia jest sterowana mikroprocesorem, konstruktorzy bardziej wyrafinowa­
nego sprzętu pomiarowego wykorzystują wszelkie współczesne możliwości infor­
matyki. Komputerowe systemy pomiarowe, w tym wirtualne przyrządy pomiaro­
we, będą jeszcze przez długi czas obszarem, w którym dzieje się najwięcej.
Zastosowanie elementów mikroelektronicznych i informatyki w sprzęcie
pomiarowym rodzi dość istotne konsekwencje. Obserwujemy na przykład stagna­
cję w dziedzinie sprzętu klasycznego (mierniki elektromechaniczne, mostki, kom­
pensatory itp.), ponieważ sprzęt ten nie nadaje się do wykorzystania w systemach
pomiarowych, gdyż na ogół nie ma interfejsu wyjściowego. Obserwujemy też
wyraźny zastój w zakresie konstrukcji sprzętu pomiarowego - w czasach kiedy
przeciętny inżynier, dysponując dobrej jakości kartą pomiarową i komputerem,
jest w stanie za pomocą platformy programowej typu LabView zrealizować
dowolny przyrząd pomiarowy, nie ma sensu obstawiać się drogim sprzętem.
Zresztą generalną tendencją jest wypieranie miernictwa, w którym wykorzystuje
się głównie sprzęt, przez miernictwo, w którym dominuje oprogramowanie i dob­
ry pomysł (pewnym wyjątkiem są pomiary za pomocą przyrządów najwyższej
klasy o bardzo dużej dokładności).
Inne wyraźnie dostrzegalne zmiany to powszechność i niska cena sprzętu
mikroelektronicznego uchodzącego kiedyś za wyrafinowany. Przetworniki analogo­
wo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe o znakomitych parametrach, mnożniki, przetwor­
niki wartości skutecznej, wysokiej jakości wzmacniacze o dokładnościach zarezer­
wowanych dawniej dla najdroższych przyrządów dziś są dostępne za cenę niższą
niż koszula w supermarkecie. W zasadzie zanika podział na miernictwo cyfrowe
i analogowe, ponieważ obie te dziedziny nie mogą istnieć bez siebie. Podobnie
zanika podział na miernictwo wielkości elektrycznych i nieelektrycznych. Widocz­
ny jest rozwój szczególnie w zakresie czujników. Stają się one jednym z ważniej­
szych elementów współczesnego miernictwa. Nie są to jednak znane od lat proste
czujniki wybranych wielkości, ale zgodnie z najnowszą normą IEEE P I451 są to
czujniki wyposażone w interfejs komputerowy, wyjście sieciowe typu Ethernet lub
łącze bezprzewodowe. Nawet tak tradycyjna wiedza, jak nauka o błędach uległa
w ostatnich latach całkowitej odmianie za sprawą wydanego w 1993 roku przez
ISO przewodnika dotyczącego teorii niepewności (patrz s. 39-62).
Dziś typowe pomiary wielkości elektrycznych i nieelektrycznych są w wię­
kszości zagadnieniem znanym i łatwym w realizacji. Natomiast najważniejszymi
problemami miernictwa stają się: przetworzenie wartości mierzonej na sygnał
elektryczny (czujniki i układy kondycjonowania), przetworzenie sygnału analogo­
wego (wzmocnienie, usunięcie szumów i zakłóceń), wykorzystanie narzędzi cyf­
rowych do przetworzenia i analizy sygnału pomiarowego oraz wykorzystanie
narzędzi informatycznych do tworzenia systemów pomiarowych.
Oczywiście znajomość zasad miernictwa klasycznego jest wartością samą
w sobie, ponieważ ułatwia zrozumienie miernictwa nowoczesnego, w którym zresztą
w dużym stopniu wykorzystuje się idee technik klasycznych. Ale też nie jest tak, że
nowe techniki są tylko bardziej sprawnymi sposobami realizacji znanych metod
pomiarowych. 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 sprzęt
ten umożliwiał pomiar napięcia, prądu i rezystancji z najlepszą precyzją. Przez lata
studenci byli dręczeni wiedzą o kompensatorze Feussnera czy doborze galwanomet-
ru do mostka. Dziś, gdy patrzy się na ten sprzęt, widać, że na przykład wyrafinowana
rpprtianic7na konstrukcja dekady Feussnera (jak zrobić rezystor o zmiennej
rezystancji, a jednocześnie niezmiennej rezystancji widzianej z zacisków zasilania)
była spowodowana tym, że nie potrafiono za czasów Feussnera zrealizować źródła
prądowego dostatecznie dobrej jakości. Także metoda mostkowa do pomiaru
rezystancji przegrywa z prostą metodą techniczną (prawem Ohma) w sytuacji, kiedy
jesteśmy w stanie zrealizować zasilanie rezystora prądem o bardzo dokładnie
stabilizowanej wartości (czego na pewno nie było w czasach Wheatstone’a). Takich
przykładów przewartościowania klasycznych pojęć i przyzwyczajeń jest wiele.
Takie właśnie spojrzenie na kierunki rozwoju miernictwa stało się podstawą
mojej decyzji o doborze materiału książki. Początkowo zamierzałem napisać
książkę, w której miernictwo elektryczne całościowo byłoby ujęte od podstawo­
wych pojęć do metod, algorytmów pomiarowych i przyrządów. Niestety okazało
się, że takie całościowe spojrzenie wymagałoby co najmniej 1000 stron. Zarówno
z technicznego punktu widzenia, jak i ekonomicznego wydanie takiej pozycji
mogłoby być dość ryzykownym przedsięwzięciem. Dlatego dokonałem podziału
materiału na dwie niezależne części - pierwszą zatytułowaną
Technika pomiaro­
wa
i drugą, zatytułowaną
Zastosowania miernictwa elektrycznego.
Przy takim podziale wiedzy o pomiarach proponowana obecnie książka
zawiera wspólne dla całego miernictwa zagadnienia podstawowe. Nie jest to
pierwsza część jakiejś większej całości, ale samodzielna pozycja wydawnicza,
mająca dać wiedzę o zasadach miernictwa. Przy takim ujęciu ewentualna druga
książka
Zastosowania miernictwa elektrycznego
byłaby ilustracją i przykładem
zastosowania wiedzy podanej w pierwszej książce.
Niezwykle ważne było wybranie materiału, który uznałem za podstawowy
i wspólny dla całego miernictwa. Zgodnie z przedstawionym wyżej stanem
techniki książka dzieli się na trzy części: część pierwsza to
miernictwo klasyczne
(rozdziały 1 i 2 są poświęcone podstawowym pojęciom, teorii niepewności,
wzorcom, przyrządom elektromechanicznym, układom mostkowym, kompensa­
cyjnym i komparacyjnym); część druga to
przetwarzanie sygnałów
(rozdziały
3 i 4 są poświęcone analogowym i cyfrowym metodom przetwarzania sygnałów),
a część trzecia to
systemy pomiarowe
i
miernictwo wirtualne.
Dokonałem selekcji materiału z zakresu miernictwa klasycznego. Wybrałem
tylko te działy, które są niejako ponadczasowe. Przyswojenie wiadomości z tych

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin