Skripta Měření fyz.veličin - návody do lab.cvičení

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ


Měření fyzikálních veličin
návody do laboratorních cvičení

Garant předmětu:
Doc. Ing. Ludvík Bejček, CSc.

Autoři textu:
Ing. Petr Beneš, PhD.
Ing. Zdeněk Havránek
Ing. Tomáš Kopecký
Ing. Miroslav Krupa

Brno 11. 2. 2008
2 FEKT Vysokého učení technického v Brně
Verze 1.3.3 11.2.2008
Obsah
OBSAH...................................................................................................................................... 2
SEZNAM OBRÁZKŮ ............................................................................................................. 6
SEZNAM TABULEK.............................................................................................................. 8
1 ZAŘAZENÍ PŘEDMĚTU VE STUDIJNÍM PROGRAMU........................................ 9
1.1 ÚVOD DO PŘEDMĚTU................................................................................................... 9
2 POKYNY PRO MĚŘENÍ A VYPRACOVÁNÍ PROTOKOLŮ ............................... 10
2.1 SNÍMAČ [1], [2]......................................................................................................... 10
2.2 TECHNICKÉ PARAMETRY SENZORŮ [1], [2], [10] ....................................................... 10
2.2.1 Statické parametry senzorů.............................................................................. 10
2.2.2 Dynamické parametry snímačů........................................................................ 12
2.3 ZPRACOVÁNÍ PROTOKOLŮ......................................................................................... 13
2.3.1 Základní body záznamu o laboratorním cvičení:............................................. 13
3 ÚLOHA 1: KAPACITNÍ A ELEKTROLYTICKÝ HLADINOMĚR...................... 15
3.1 ZADÁNÍ ..................................................................................................................... 15
3.2 SCHÉMA ZAPOJENÍ .................................................................................................... 15
3.3 DOPORUČENÝ POSTUP............................................................................................... 16
3.4 SEZNAM PŘÍSTROJŮ, PŘÍPRAVKŮ A DOKUMENTACE................................................... 16
3.5 TEORETICKÝ POPIS.................................................................................................... 17
3.5.1 Kapacitní hladinoměr [1], [14] ....................................................................... 17
3.5.2 Elektrolytický hladinoměr................................................................................ 18
3.5.3 Analýza kapalin a plynů konduktometrickými metodami................................. 19
3.6 KONTROLNÍ OTÁZKY................................................................................................. 20
4 ÚLOHA 2: MĚŘENÍ POLOHY DOTYKOVÝMI INDUKČNOSTNÍMI SNÍMAČI............ 21
4.1 ZADÁNÍ ..................................................................................................................... 21
4.2 SCHÉMA ZAPOJENÍ .................................................................................................... 21
4.3 DOPORUČENÝ POSTUP............................................................................................... 21
4.4 SEZNAM PŘÍSTROJŮ, PŘÍPRAVKŮ A DOKUMENTACE................................................... 22
4.5 TEORETICKÝ POPIS.................................................................................................... 22
4.5.1 Indukčnostní snímače s otevřeným magnetickým obvodem v diferenčním
uspořádání ....................................................................................................................... 22
4.6 KONTROLNÍ OTÁZKY................................................................................................. 25
4.7 KATALOG ZPA SNÍMAČE .......................................................................................... 26
5 ÚLOHA 3: MĚŘENÍ NA KAPACITNÍM SNÍMAČI POSUNUTÍ .......................... 29
5.1 ZADÁNÍ ..................................................................................................................... 29
5.2 SCHÉMA ZAPOJENÍ .................................................................................................... 29
5.3 DOPORUČENÝ POSTUP............................................................................................... 30
5.4 SEZNAM PŘÍSTROJŮ, PŘÍPRAVKŮ A DOKUMENTACE................................................... 31
5.5 TEORETICKÝ POPIS.................................................................................................... 31
5.5.1 Změny vzdálenosti elektrod.............................................................................. 32
Měření fyzikálních veličin – návody do laboratorních cvičení 3
Verze 1.3.3 11.2.2008
5.5.2 Změny relativní permitivity dielektrika.............................................................32
5.5.3 Konstrukční uspořádání dielektrika .................................................................32
5.5.4 Působení teploty, tlaku a vlhkosti.....................................................................32
5.5.5 Změna ploch elektrod .......................................................................................33
5.5.6 Zhodnocení kapacitních snímačů .....................................................................33
5.6 KONTROLNÍ OTÁZKY .................................................................................................33
6 ÚLOHA 4: MĚŘENÍ VIBRACÍ ...................................................................................34
6.1 ZADÁNÍ......................................................................................................................34
6.2 SCHÉMA ZAPOJENÍ.....................................................................................................34
6.3 DOPORUČENÝ POSTUP ...............................................................................................35
6.4 SEZNAM PŘÍSTROJŮ, PŘÍPRAVKŮ A DOKUMENTACE ...................................................36
6.5 TEORETICKÝ POPIS ....................................................................................................36
6.5.1 Piezoelektrický snímač vibrací .........................................................................36
6.5.2 Vibrační stolek..................................................................................................37
6.5.3 Akcelerometr ADXL150 použitý v autíčku........................................................38
6.5.4 Kmitání tenkých nosníků a tyčí.........................................................................39
6.6 KONTROLNÍ OTÁZKY .................................................................................................41
6.7 KATALOGOVÉ LISTY POUŽITÝCH SNÍMAČŮ................................................................41
7 ÚLOHA 5: LIMITNÍ SNÍMAČE..................................................................................46
7.1 ZADÁNÍ......................................................................................................................46
7.2 DOPORUČENÝ POSTUP ...............................................................................................46
7.3 SEZNAM PŘÍSTROJŮ, PŘÍPRAVKŮ A DOKUMENTACE ...................................................47
7.4 TEORETICKÝ POPIS ....................................................................................................47
7.4.1 Indukčnostní oscilátorový snímač ....................................................................47
7.4.2 Limitní kapacitní snímač ..................................................................................47
7.4.3 Používané názvosloví: ......................................................................................48
7.5 PŘÍKLADY POUŽITÍ LIMITNÍCH SNÍMAČŮ....................................................................50
7.6 APLIKACE VÝHRADNĚ S KAPACITNÍMI SNÍMAČI:........................................................51
7.7 NĚKTEŘÍ VÝROBCI LIMITNÍCH SNÍMAČŮ ....................................................................52
7.8 KONTROLNÍ OTÁZKY .................................................................................................52
7.9 KATALOGOVÉ LISTY POUŽITÝCH SNÍMAČŮ................................................................53
8 ÚLOHA 6: MĚŘENÍ TEPLOTY A TEPELNÉHO TOKU.......................................55
8.1 ZADÁNÍ......................................................................................................................55
8.2 SCHÉMA ZAPOJENÍ.....................................................................................................55
8.3 DOPORUČENÝ POSTUP ...............................................................................................55
8.4 SEZNAM PŘÍSTROJŮ, PŘÍPRAVKŮ A DOKUMENTACE ...................................................56
8.5 TEORETICKÝ POPIS ....................................................................................................56
8.5.1 Kovové odporové snímače teploty ....................................................................56
8.5.2 Polovodičové odporové snímače ......................................................................57
8.5.3 Měření časové konstanty kovového teploměru .................................................57
8.5.4 Měření tepelného toku ......................................................................................58
8.6 KONTROLNÍ OTÁZKY .................................................................................................60
8.7 TABULKA TEPELNÝCH VLASTNOSTÍ NĚKTERÝCH MATERIÁLŮ....................................62
9 ÚLOHA 7: MĚŘENÍ S IONIZUJÍCÍM ZÁŘENÍM...................................................63
9.1 ZADÁNÍ......................................................................................................................63
9.2 SCHÉMA ZAPOJENÍ.....................................................................................................63
9.3 DOPORUČENÝ POSTUP ...............................................................................................63
4 FEKT Vysokého učení technického v Brně
Verze 1.3.3 11.2.2008
9.4 SEZNAM PŘÍSTROJŮ, PŘÍPRAVKŮ A DOKUMENTACE................................................... 64
9.5 TEORETICKÝ POPIS.................................................................................................... 64
9.5.1 Základní vlastnosti jaderného záření............................................................... 64
9.5.2 Druhy ionizačního záření................................................................................. 65
9.5.3 Fyzikální popis ionizačního záření, atomový zákon ........................................ 66
9.5.4 Systém limitů pro omezování ozáření............................................................... 69
9.6 SNÍMAČE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ................................................................................. 70
9.6.1 Plynové detektory............................................................................................. 70
9.6.2 Geigerův – Müllerův čítač ............................................................................... 71
9.7 POUŽITÍ IONIZAČNÍHO ZÁŘENÍ................................................................................... 72
9.8 KONTROLNÍ OTÁZKY................................................................................................. 73
9.9 NÁVODY A ZÁRUČNÍ LISTY........................................................................................ 74
10 ÚLOHA 8: MĚŘENÍ S ODPOROVÝMI TENZOMETRY .................................. 76
10.1 ZADÁNÍ ..................................................................................................................... 76
10.2 DOPORUČENÝ POSTUP............................................................................................... 76
10.3 SEZNAM PŘÍSTROJŮ, PŘÍPRAVKŮ A DOKUMENTACE................................................... 77
10.4 TEORETICKÝ POPIS.................................................................................................... 78
10.4.1 Tenzometry....................................................................................................... 78
10.4.2 Popis aparatury pro cejchování tenzometru.................................................... 80
10.5 DIGITÁLNÍ MĚŘICÍ ÚSTŘEDNA VISHAY P-3500 ....................................................... 82
10.5.1 Použítí .............................................................................................................. 82
10.5.2 Funkce.............................................................................................................. 82
10.6 KONTROLNÍ OTÁZKY................................................................................................. 83
10.7 KATALOGOVÝ LIST POUŽITÉHO TENZOMETRU........................................................... 84
10.8 MECHANICKÉ VLASTNOSTI NĚKTERÝCH LÁTEK ........................................................ 85
11 ÚLOHA 9: ULTRAZVUKOVÝ SNÍMAČ VZDÁLENOSTI................................ 87
11.1 ZADÁNÍ ..................................................................................................................... 87
11.2 SCHÉMA ZAPOJENÍ .................................................................................................... 87
11.3 DOPORUČENÝ POSTUP............................................................................................... 87
11.4 SEZNAM PŘÍSTROJŮ, PŘÍPRAVKŮ A DOKUMENTACE................................................... 88
11.5 TEORETICKÝ POPIS.................................................................................................... 88
11.5.1 Vstupní obvody:................................................................................................ 88
11.5.2 Mechanické provedení:.................................................................................... 89
11.5.3 Vyhodnocovací jednotka, výstupní stupeň: ...................................................... 89
11.5.4 Testovací deska, cílové předměty..................................................................... 89
11.5.5 Pracovní podmínky .......................................................................................... 89
11.6 NĚKTEŘÍ VÝROBCI ULTRAZVUKOVÝCH SNÍMAČŮ...................................................... 90
11.7 PŘÍKLADY POUŽITÍ ULTRAZVUKOVÝCH SNÍMAČŮ ..................................................... 91
11.8 KONTROLNÍ OTÁZKY................................................................................................. 91
11.9 KATALOGOVÝ LIST ULTRAZVUKOVÉHO SNÍMAČE ..................................................... 92
12 ÚLOHA 10: MĚŘENÍ OTÁČEK............................................................................. 94
12.1 ZADÁNÍ ..................................................................................................................... 94
12.2 SCHÉMA ZAPOJENÍ PŘÍPRAVKU.................................................................................. 94
12.3 DOPORUČENÝ POSTUP............................................................................................... 95
12.4 POUŽITÉ MĚŘICÍ PŘÍSTROJE A POMŮCKY ................................................................... 95
12.5 TEORETICKÝ POPIS.................................................................................................... 96
12.5.1 Tachodynamo................................................................................................... 96
12.5.2 Indukční snímač ............................................................................................... 97
Měření fyzikálních veličin – návody do laboratorních cvičení 5
Verze 1.3.3 11.2.2008
12.5.3 Indukčnostní oscilátorové snímače...................................................................97
12.5.4 Fotoelektrický snímač průchozí........................................................................98
12.5.5 Hallova sonda...................................................................................................98
12.6 KONTROLNÍ OTÁZKY .................................................................................................99
12.7 KATALOGOVÉ LISTY POUŽITÝCH SNÍMAČŮ..............................................................100
13 POUŽITÁ LITERATURA ......................................................................................103

6 FEKT Vysokého učení technického v Brně
Verze 1.3.3 11.2.2008
Seznam obrázků
OBRÁZEK 2.1: URČENÍ ČASOVÉ KONSTANTY SNÍMAČE ............................................................. 12
OBRÁZEK 3.1: SCHÉMA ZAPOJENÍ ÚLOHY S ELEKTROLYTICKÝM HLADINOMĚREM.................... 15
OBRÁZEK 3.2: SCHÉMA ZAPOJENÍ ÚLOHY S ELEKTROLYTICKÝM HLADINOMĚREM.................... 16
OBRÁZEK 3.3: ZMĚNA KAPACITY KONDENZÁTORU PROSTŘEDNICTVÍM DIELEKTRIKA [14]....... 17
OBRÁZEK 3.4: MOŽNÉ USPOŘÁDÁNÍ KAPACITNÍHO HLADINOMĚRU [14]................................... 17
OBRÁZEK 3.5: ELEKTROLYTICKÝ HL......................................................................................... 18
OBRÁZEK 3.6: NÁHRADNÍ SCHÉMA ELEKTROLYTICKÉHO SNÍMAČE HLADINY [2]...................... 19
OBRÁZEK 3.7: ČTYŘELEKTRODOVÁ SONDA [3]......................................................................... 20
OBRÁZEK 3.8: BEZKONTAKTNÍ INDUKČNÍ SENZOR [2] .............................................................. 20
OBRÁZEK 4.1: SCHÉMA ZAPOJENÍ ÚLOHY ................................................................................. 21
OBRÁZEK 4.2: TUSPOŘÁDÁNÍ LVDT SNÍMAČET........................................................................... 23
OBRÁZEK 4.3: BLOKOVÉ SCHÉMA OBVODU AD598 [4] ............................................................ 23
OBRÁZEK 4.4: VÝSTUPNÍ CHARAKTERISTIKA LVDT SNÍMAČE ................................................. 24
OBRÁZEK 4.5: KATALOG VÝROBCE, STRANA 1/3 ...................................................................... 26
OBRÁZEK 4.6: KATALOG VÝROBCE, STRANA 2/3 ...................................................................... 27
OBRÁZEK 4.7: KATALOG VÝROBCE, STRANA 3/3 ...................................................................... 28
OBRÁZEK 5.1: SCHÉMA ZAPOJENÍ PRO MĚŘENÍ KAPACITY SNÍMAČE POSUNUTÍ......................... 29
OBRÁZEK 5.2: VNITŘNÍ ZAPOJENÍ PŘÍPRAVKU A NÁHRADNÍ SCHÉMA (JEN PRO ELEKTRODY 1 A 2)
(1 – POHYBLIVÁ ELEKTRODA, 2 – PEVNÁ ELEKTRODA, 3 – STÍNĚNÍ).................................. 30
OBRÁZEK 5.3: KAPACITNÍ SNÍMAČ BEZ (VLEVO) A S OCHRANNÝM PRSTENCEM (VPRAVO) ....... 31
OBRÁZEK 6.1: SCHÉMA ZAPOJENÍ PRO MĚŘENÍ CITLIVOSTI SNÍMAČE KD38 (AD1) ................... 34
OBRÁZEK 6.2: BLOKOVÉ SCHÉMA ZAPOJENÍ PRO MĚŘENÍ CITLIVOSTI SNÍMAČE KD38 (AD1) ... 34
OBRÁZEK 6.3: SCHÉMA ZAPOJENÍ PRO MĚŘENÍ REZONANČNÍCH KMITOČTŮ NOSNÍKU (AD3)..... 35
OBRÁZEK 6.4: PIEZOELEKTRICKÝ SNÍMAČ, 1 – PIEZOEL. MĚNIČ, 2 – SETRVAČNÁ HMOTNOST ... 37
OBRÁZEK 6.5: NÁHRADNÍ SCHÉMA PIEZOELEKTRICKÉHO MĚNIČE ............................................ 37
OBRÁZEK 6.7: BLOKOVÉ SCHÉMA ADXL150........................................................................... 38
OBRÁZEK 6.8: PRINCIP MĚŘENÍ ZRYCHLENÍ .............................................................................. 39
OBRÁZEK 6.9: 1. MÓD KMITÁNÍ NOSNÍKU (VARIANTA VOLNÝ-ZATÍŽENÝ)................................. 40
OBRÁZEK 6.10: DALŠÍ MÓDY KMITÁNÍ NOSNÍKU (VARIANTA VOLNÝ-VOLNÝ) .......................... 40
OBRÁZEK 6.11: FREKVENČNÍ CHARAKTERISTIKA SNÍMAČE KD38............................................ 41
OBRÁZEK 6.12: KATALOGOVÝ LIST SNÍMAČE KD38................................................................. 42
OBRÁZEK 6.13: