Układy elektroniczne i technika pomiarowa/Moduł 9

From Studia Informatyczne

wersja beta



Spis treści

Wprowadzenie do techniki pomiarowej

Grafika:UETP_M9_Slajd_intro.png

Grafika:UETP_M9_Slajd01.png Celem wykładu jest wprowadzenie podstawowych pojęć z zakresu techniki pomiarowej.

Pojęcia podstawowe

Grafika:UETP_M9_Slajd02.png Wszelkie rozważania na temat szeroko rozumianych pomiarów powinny być usytuowane w określonym obszarze wiedzy. Dwa podstawowe określenia dotyczące pomiarów to metrologia i miernictwo. Pojęcia te nie są jednak tożsame. Przez wiele lat funkcjonowało głównie pojęcie miernictwa, ale współcześnie utożsamia się je z techniką pomiarową będącą domeną działań inżynierskich. Metrologia jest dziedziną naukową zajmującą się teorią pomiarów w różnych dyscyplinach nie mających wiele wspólnego z techniką, jak chociażby ekonomia czy socjologia. Z punktu widzenia inżyniera niezbędna jest pewna wiedza z zakresu mierzenia umożliwiająca weryfikację działania urządzeń technicznych. Określeniem oddającym najlepiej sens i cel wykładu jest technika pomiarowa odpowiadająca na pytania jak coś zmierzyć lub zbadać.

Analogicznie jak i w innych dyscyplinach inżynierskich, tak i w technice pomiarowej, rozwój technologii informatycznych spowodował zmiany zarówno w konstrukcji przyrządów jak i w podejściu do zagadnień pomiarowych. Uniwersalność i standaryzacja rozwiązań układowych oraz powszechna konieczność wykonywania pomiarów przyczyniły się do ukształtowania poglądu o usługowym charakterze techniki pomiarowej. Tak jest w istocie czego przykładem może być względna prostata konstrukcji przyrządów wirtualnych przy wykorzystaniu uniwersalnych kart zbierania danych i zintegrowanych środowisk programistycznych.



Grafika:UETP_M9_Slajd03.png Podobnie jak w wielu innych dziedzinach wiedzy tak i w technice pomiarowej stosuje się uniwersalne określenie – obiekt. Dążeniem człowieka jest poznanie właściwości i cech obiektów, przy czym (na tym etapie rozważań) nie ma znaczenia co ten obiekt reprezentuje. Człowiek ma do dyspozycji jako narzędzie poznawcze pewien zestaw zmysłów. Możliwości identyfikacji cech obiektów za pomocą zmysłów są jednak bardzo ograniczone. Standardowe przykłady to zakres częstotliwości pasma słyszalnego (20Hz do 20kHz), rozdzielczość wzroku (na poziomie 0.1mm) czy też trudne do zdefiniowania właściwości węchu lub smaku.



Grafika:UETP_M9_Slajd04.png Proces poznawania obiektu można zilustrować w postaci toru przepływu informacji pomiarowej. W pierwszym etapie określamy cechy obiektu, następnie budujemy model w postaci równań matematycznych. W równaniach występują wielkości fizyczne, z których wybieramy wielkości mierzalne i realizujemy pomiar co sprowadza się do nadania wielkościom fizycznym konkretnych wartości liczbowych.

Zauważmy, że ten proces jest realizowany praktycznie zawsze, tylko niekoniecznie w sposób jawny. Jeżeli sprawdzam napięcie w gniazdku to nie myślę, że obiektem badanym jest sieć energetyczna, właściwością napięcie, modelem matematycznym przebieg sinusoidalny o określonych parametrach, a pomiar polega na liczbowym wyrażeniu wartości skutecznej napięcia.



Grafika:UETP_M9_Slajd05.png Zatem podchodząc do zagadnienia pomiaru w sposób naukowy definiuje się pomiar jako eksperyment mający na celu zidentyfikowanie cech matematycznego modelu obiektu badanego. Pomiar wykonywany jest w ramach systemu obejmującego zarówno obiekt badany, wszelkie środki techniczne (instrumentarium) jak i odbiorcę informacji.



Grafika:UETP_M9_Slajd06.png Pojawia się jednak pytanie jak wyrazić w postaci liczbowej wartość wielkości ? Można to zrobić tylko przez porównanie ze wzorcem odtwarzającym jednostkę miary danej wielkości fizycznej. To jest bardzo ważna cecha wszystkich pomiarów. W każdym urządzeniu czy systemie pomiarowym musi występować wzorzec. Źródło napięcia referencyjnego w przetworniku analogowo-cyfrowym czy też generator wzorcowy w liczniku uniwersalnym to właśnie wzorzec. W mierniku o odczycie analogowym wzorcem jest po prostu podziałka na skali pomiarowej – przyrząd został wcześniej wyskalowany i do każdej działki została przypisana konkretna wartość liczbowa. Praktycznie to na ile wzorzec funkcjonuje prawidłowo decyduje o wartości i sensie pomiaru.

Zagadnie odtwarzania jednostek miary poprzez wzorce jest bardzo szeroko analizowane i badane. Istnieje ogólna tendencja do zastępowania wzorców materialnych przez zjawiska kwantowe. I tak np. jako wzorzec napięcia stałego jest wykorzystywane obecnie złącze Josephsona zamiast nasyconego ogniwa Westona, wzorcem częstotliwości są drgania emitowane przez atom cezu (1Hz = 1/ 9 192 631 770 okresów drań). Oczywiście w tej postaci występują wzorce pierwotne (państwowe), w codziennej praktyce mamy doczynienia z wzorcami użytkowymi (stabilizatory elektroniczne, generatory kwarcowe, oporniki wzorcowe).


Narzędzia i metody pomiarowe

Grafika:UETP_M9_Slajd07.png Czasami wyróżnia się dwa aspekty pomiarów:
  • narzędzia – środki techniczne – odpowiadają na pytanie czym mierzyć ?
  • metody – procesy – odpowiadają na pytanie jak mierzyć ?



Grafika:UETP_M9_Slajd08.png Metody pomiarowe są związane z etapami samego procesu pomiarowego i w uproszczeniu sprowadzają się do trzech elementarnych czynności:
  1. pobrania i wstępnego przetworzenia informacji
  2. porównania z wzorcem
  3. przekazania wyniku

O ile zdecydowana większość zjawisk (rozpatrywanych w środowisku makroskopowym) ma charakter ciągły (analogowy) to już przetwarzanie jest realizowane metodami cyfrowymi (ref). Sposobów porównywania wielkości mierzonej z wzorcem może być wiele, charakterystyczne i proste w interpretacji to metoda odchyłowa (mierniki o odczycie analogowym), koincydencyjne (pomiary odstępów czasu), zerowe (mostki pomiarowe), kompensacyjne (przetwarzanie a/c – sukcesywna aproksymacja). Wynik pomiaru może być wprawdzie otrzymany wprost z układu porównania (np. amperomierz magnetoelektryczny o odczycie bezpośrednim), ale praktycznie we wszystkich współczesnych przyrządach i układach pomiarowych podlega on dalszemu przetwarzaniu, co wynika zarówno z technik ekspozycji wyników (wyświetlacze alfanumeryczne, ekrany graficzne) jak i jego przeznaczenia. Odbiorcą informacji nie musi być człowiek, równie dobrze może to być inne urządzenie (np. komputer w systemie pomiarowym).


Grafika:UETP_M9_Slajd09.png Narzędziami pomiarowymi będą środki techniczne, wśród których można wyróżnić:
  • przyrządy pomiarowe
  • przetworniki pomiarowe
  • wzorce
  • systemy i układy pomiarowe

Taki podział narzędzi należy traktować jako podział funkcjonalny. Przetworniki pomiarowe występują w strukturach zarówno przyrządów, jak i systemów pomiarowych. Wzorce są nieodłącznym elementem każdego pomiaru. W dobie wykorzystania do konstrukcji przyrządów komputerów i sieci zaciera się różnica pomiędzy przyrządem a systemem pomiarowym, funkcjonuje nawet pojęcie rozproszonego przyrządu pomiarowego. Charakterystyczne jest rozróżnienie systemu i układu pomiarowego. System powinien zawierać jednostkę nadrzędną (sterującą) kontrolującą przepływ danych w obrębie systemu. Takiej cechy nie musi mieć układ pomiarowy, który może być zestawiony z niezależnych elementów.


Grafika:UETP_M9_Slajd10.png Traktując przyrząd pomiarowy w ujęciu filozoficznym można sformułować górnolotne stwierdzenie o roli przyrządu jako pośrednika pomiędzy światem fizycznym (obiekty), a światem informacji w, w którym funkcjonuje ostateczny odbiorca (człowiek).

Analizując rozwój przyrządów pomiarowych można wskazać cztery fazy dominacji określonych przyrządów: przyrządy analogowe, przyrządy cyfrowe, przyrządy systemowe i przyrządy wirtualne. O ile dawniej rozróżniało się przyrządy analogowe i cyfrowe na podstawie sposobu ekspozycji wyniku, o tyle obecnie przy niemal całkowitym zaniku przyrządów analogowych i wyposażeniu przyrządów cyfrowych w możliwość współpracy w systemie pomiarowym, należy raczej mówić o przyrządach autonomicznych i wirtualnych. Dyskusyjna jest teza o stopniowym zastępowaniu przyrządów autonomicznych przez wirtualne. Nastąpi raczej scalenie technologii typowo informatycznej i pomiarowej. Nowoczesny przyrząd pomiarowy może być wyposażony w twardy dysk, interfejsy typu LAN, USB i obsługiwany za pomocą myszki.



Grafika:UETP_M9_Slajd11.png Z powodów praktycznych warto podzielić przyrządy pomiarowe z uwagi na ich przeznaczenie i główne funkcje pomiarowe.
  • przyrządy do pomiaru wielkości ciągłych (np. napięcia, prądu, rezystancji, pojemności, mocy, energii)
  • przyrządy do pomiary wielkości o charakterze ziarnistym (np. częstotliwość, okres)
  • przyrządy do obserwacji i analizy sygnałów
  • przyrządy do generacji wymuszeń w układach pomiarowych



Grafika:UETP_M9_Slajd12.png Wśród przetworników pomiarowych można wyróżnić cztery podstawowe typy:
  • a/a – przetwarzają naturę fizyczną sygnału, co może oznaczać zarówno przetwarzanie wielkości nieelektrycznej na elektryczną jak i zmianę parametrów sygnału
  • a/c – przetwarzają parametry amplitudowe i czasowe sygnału (kwantowanie i próbkowanie)
  • c/a – przetwarzają kod cyfrowy na odpowiadającą mu wartość napięcia lub prądu
  • c/c – przetwarzają dane, co może oznaczać np. zmianę struktury sygnału

Uwagi nt dokładności pomiarów

Grafika:UETP_M9_Slajd13.png Jak zaznaczono wcześniej przypisanie wartości liczbowej do wielkości mierzonej wymaga porównania tej wielkości z wzorcem odtwarzającym jednostkę miary. Zrozumiałe, że takie porównanie zachodzi z pewną skończoną dokładnością uwarunkowaną chociażby przez metodę porównania. Generalnie, wykonując jakiekolwiek pomiary, bardzo ważna jest umiejętność lokalizacji źródeł błędów i ich eliminacji oraz oszacowania niepewności pomiaru. Aktualnie obowiązującą formą określania dokładności pomiaru jest właśnie niepewność, którą można utożsamiać z określeniem błąd pomiaru. Każdy wynik pomiaru powinien być podawany razem z oszacowaniem niepewności, a ściślej przedziału niepewności. Niestety szacowanie niepewności jest procesem bardzo złożonym i czasochłonnym, a stosowany aparat matematyczny wykorzystuje pojęcia z zakresu statystyki matematycznej. Wprowadza się pojęcia niepewności typu A związanej z występowaniem błędów przypadkowych. Szacowanie niepewności typu A wymaga wykonania serii pomiarów i wyznaczenia wariancji oraz odchylenia standardowego przy założeniu, że najlepszym przybliżeniem prawdziwego wyniku jest estymator wartości oczekiwanej. Nieco prostsze jest wyznaczanie niepewności typu B związanej z niedoskonałością aparatury pomiarowej i metody pomiaru. Oprócz wspomnianych błędów przypadkowych, na które użytkownik nie ma wpływu, ale może je oszacować metodami statystycznymi, występuję błędy systematyczne. Teoretycznie takie błędy można wyeliminować i uwzględnić w wyniku pomiaru przez wprowadzenie poprawki.

W praktyce dokonując pomiaru za pomocą dowolnego przyrządu powinno się przynajmniej skorzystać ze specyfikacji przyrządu i uzupełnić wynik pomiaru o wartość tak określonej niepewności. Będzie to tzw. błąd bezwzględny stanowiący różnicę pomiędzy wartością zmierzoną, a rzeczywistą. Użytkownik nie zna oczywiście wartości rzeczywistej i to producent sprzętu zapewnia, że dokonując pomiaru popełni się błąd nie większy niż wynikający ze specyfikacji. Wynik pomiaru można też uzupełnić o podanie błędu względnego stanowiącego iloraz błędu bezwzględnego i wartości zmierzonej.


Słowa kluczowe

  • obiekt pomiaru
  • przyrząd pomiarowy
  • przetwornik pomiarowy
  • wzorzec
  • narzędzia pomiarowe
  • metody pomiarowe
  • niepewność pomiaru
  • błąd pomiaru



Bibliografia

  1. Coombs C. F. : Electronic Instruments Handbook
  2. Chwaleba A.,Poniński M.,Siedlecki A., Metrologia elektryczna, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne.
  3. Czajewski J., Podstawy metrologii elektrycznej, Oficyna Wydawnicza PW.
  4. Marcyniuk A., Podstawy miernictwa elektrycznego, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej.