S Mittaustekniikan perusteet Y - Tentti

Transkriptio

1 S Mittaustekniikan perusteet Y - Tentti /Kärhä Merkitse vastauspaperiin laboratoriotöiden suoritusvuosi. 1. Ohessa on 12 väittämää antureista. Ovatko väittämät oikein vai väärin? Oikeasta vastauksesta saat 3/4 pistettä ja pisteiden summasta vähennetään 3 pistettä. Kokonaistulos ei kuitenkaan voi olla negatiivinen. Vastaa oheisen mallin (kuva 1) mukaisesti ensimmäiselle sivulle. Kuva 1. Tehtävän 1 vastausmalli. Väittämät: 1. Termopari perustuu liitoksen resistanssin muutokseen lämpötilan funktiona 2. Korkeiden lämpötilojen (>200 C) tarkkuusmittauksissa kannattaa käyttää NTCtermistoria vaikkakin hinta on kallis 3. Vastusanturi (esim. PT-100) on muihin lämpötila-antureihin verrattuna melko lineaarinen 4. Pyrometri mittaa lämpötilaa koskettamatta kohdetta 5. Pyrometrin mittaustulos ei riipu kohteen materiaalista 6. Valodiodilla voidaan mitata matalia valotehoja joita valomonistinputki ei enää havaitse 7. Valodiodin vaste riippuu valmistukseen käytetyistä puolijohdemateriaaleista 8. Pietsoanturissa puristus generoi kiteen yli varauksen joka mitataan 9. Paine-eron mittaamiseen voidaan käyttää magneettista Hall-anturia 10. Venymäliuska-anturin lämpötilariippuvuutta voidaan kompensoida toisella venymäliuskalla 11. Anturin herkkyyden yksikkö on joko [1] tai [%] tilanteesta riippuen 12. Mikäli jännitemittarin mittaustulos ei riipu mitattavan jännitteen taajuudesta, sanotaan mittarin olevan lineaarinen 2. Selitä taajuuslaskurin toimintaperiaate. Esitä miten matalien ja korkeiden taajuuksien mittaukset eroavat toisistaan. Selitä myös, mistä tekijöistä taajuusmittauksen epävarmuus muodostuu. 3. Lämpöanturi (T 0 =20 ºC) asetetaan kiehuvaan veteen (T=100 ºC). Anturin lämpövastus veteen on 6 K/W ja anturin lämpökapasiteetti on 12 J/K. a) Mitä lämpötilaa anturi näyttää oltuaan vedessä puoli minuuttia? b) Kuinka suuren virheen lämpöanturin lukemaan aiheuttaa 10 ma:n mittausvirta, mikäli anturina käytetään PT-100 vastusta (resistanssi noin 100 Ω) ja lämpöanturin lukema on asettunut loppuarvoonsa ( t = )? KÄÄNNÄ

2 4. Haluat mitata resistanssin vastuksesta, jonka suuruusluokka on 1 Ω. Käytössäsi on kaksi yleismittaria, joissa normaalit virta-, jännite- ja resistanssialueet sekä laboratoriojännitelähde. Mittajohtimiksi on käytettävissä haluamasi määrä banaanibanaani -johtimia, sekä näihin tarvittaessa hauenleuka-adaptereita (kuva), joilla saa mittajohtimen puristettua kiinni vastuksen jalkoihin. Esitä mittauskytkentä ja selitä sen toiminta. Kuva 2. Hauenleuka-adapteri. 5. Mittaat RC-alipäästösuodattimen siirtofunktiota signaaligeneraattorin ja oskilloskoopin avulla. Saat seuraavat tulokset: Taajuus f [Hz] Ulostulon jännite U out [V] Taajuus f [Hz] Ulostulon jännite U out [V] Suodattimen resistanssin arvo on 4.7 kω. Mikä on kondensaattorin kapasitanssi? KÄÄNNÄ

3 S Mittaustekniikan perusteet Y - Tentti /Kärhä Merkitse vastauspaperiin laboratoriotöiden suoritusvuosi. 1. Ohessa on 12 väittämää spektrianalysaattoreista. Ovatko väittämät oikein vai väärin? Oikeasta vastauksesta saat 3/4 pistettä ja pisteiden summasta vähennetään 3 pistettä. Kokonaistulos ei kuitenkaan voi olla negatiivinen. Selityksiä ei huomioida. Vastaa oheisen mallin (kuva 1) mukaisesti ensimmäiselle sivulle. Kuva 1. Tehtävän 1 vastausmalli. Väittämät: 1. Säädettävä kaistanpäästösuodin on käytännöllinen komponentti, jota käytetään pyyhkäisevässä spektrianalysattorissa. 2. Pyyhkäisevän spektrianalysaattorin resoluutio paranee kun pyyhkäistään nopeammin. 3. Kapeaa suodatinta käytettäessä on mahdollista havaita heikompia signaaleja. 4. Pyyhkäisevä spektrianalysaattoria käytetään usein transientti-ilmiöiden tarkasteluun. 5. FFT-spektrianalysaattorilla saadaan kaikki (mittausalueella olevat) taajuudet samanaikaisesti. 6. FFT-spektrianalysaattorissa näytteenottonopeus määrää resoluution. 7. Ikkunointia on välttämätöntä käyttää FFT-spektrianalysaattorissa alias-ilmiön takia. 8. Ikkunafunktion muoto vaikuttaa mitatun spektrin muotoon. 9. FFT-spektrianalysaattorin A/D-muuntimen bittimäärä ja muut ominaisuudet määräävät analysaattorin dynaamisen alueen. 10. Jos FFT-spektrianalysaattori ottaa 2 N näytettä signaalista, saadaan tällöin mittaustuloksena 2 2 N spektrikomponenttia. 11. FFT-perustuu oletukseen, että mitattu näytejono toistuu äärettömästi. 12. Transienttimittauksissa FFT-analysaattorilla signaali vaimennetaan nollaan mittausajan lopussa, ellei signaali tee sitä luonnostaan. 2. Termopari Termoparia käytetään lämpötilan mittaukseen. Selitä termoparin toiminta, sen rajoitukset sekä mittaukseen vaikuttavat tekijät. Toiminnan kuvaukseen tulee sisältyä termojännitteen synnyn selitys, termojännitteen mittauksen periaate sekä yksinkertainen mittauskytkentä. 3. Maadoitus a) Mitkä ovat maadoituksen tehtävät? b) Mikä on maasilmukka? (Piirrä kuva) c) Mitä menetelmiä voidaan käyttää maasilmukoiden katkaisuun? d) Mikä on signaalimaan tarkoitus? e) Miksi käytetään erillistä suojamaata? f) Anna esimerkkejä maadoitustavoista. KÄÄNNÄ

4 4. a) Mittaat Metexillä siniaaltoa, jonka taajuus on 150 Hz. Saat mittaustulokseksi DCasennossa V ja AC-asennossa V. Piirrä jännitteen kuvaaja aikatasossa. Paljonko on jännitteen tehollisarvo U RMS? b) Mittaat RC-alipäästösuodatinta oskilloskoopin ja signaaligeneraattorin avulla. Saat -3 db:n rajataajuudeksi 26 khz. Suodattimen vastuksen arvo on 4.7 kω. Mikä on kondensaattorin kapasitanssi? 5. Miten voit kokeellisesti määrittää lämpöanturin aikavakion?

5 S Mittaustekniikan perusteet Y - Tentti /Hovila, Merimaa Merkitse vastauspaperiin laboratoriotöiden suoritusvuosi. 1. Ohessa on 12 väittämää spektrianalysaattoreista. Ovatko väittämät oikein vai väärin? Oikeasta vastauksesta saat 3/4 pistettä ja pisteiden summasta vähennetään 3 pistettä. Kokonaistulos ei kuitenkaan voi olla negatiivinen. Selityksiä ei huomioida. Vastaa oheisen mallin (kuva 1) mukaisesti ensimmäiselle sivulle. Kuva 1. Tehtävän 1 vastausmalli. Väittämät: 1. Säädettävä kaistanpäästösuodin on käytännöllinen komponentti, jota käytetään pyyhkäisevässä spektrianalysattorissa. 2. Pyyhkäisevän spektrianalysaattorin resoluutio paranee kun pyyhkäistään nopeammin. 3. Kapeaa suodatinta käytettäessä on mahdollista havaita heikompia signaaleja. 4. Pyyhkäisevä spektrianalysaattoria käytetään usein transientti-ilmiöiden tarkasteluun. 5. FFT-spektrianalysaattorilla saadaan kaikki (mittausalueella olevat) taajuudet samanaikaisesti. 6. FFT-spektrianalysaattorissa näytteenottonopeus määrää resoluution. 7. Ikkunointia on välttämätöntä käyttää FFT-spektrianalysaattorissa alias-ilmiön takia. 8. Ikkunafunktion muoto vaikuttaa mitatun spektrin muotoon. 9. FFT-spektrianalysaattorin A/D-muuntimen bittimäärä ja muut ominaisuudet määräävät analysaattorin dynaamisen alueen. 10. Jos FFT-spektrianalysaattori ottaa 2 N näytettä signaalista, saadaan tällöin mittaustuloksena 2 2 N spektrikomponenttia. 11. FFT-perustuu oletukseen, että mitattu näytejono toistuu äärettömästi. 12. Transienttimittauksissa FFT-analysaattorilla signaali vaimennetaan nollaan mittausajan lopussa, ellei signaali tee sitä luonnostaan. 2. Termopari Termoparia käytetään lämpötilan mittaukseen. Selitä termoparin toiminta, sen rajoitukset sekä mittaukseen vaikuttavat tekijät. Toiminnan kuvaukseen tulee sisältyä termojännitteen synnyn selitys, termojännitteen mittauksen periaate sekä yksinkertainen mittauskytkentä. 3. Maadoitus a) Mitkä ovat maadoituksen tehtävät? b) Mikä on maasilmukka? (Piirrä kuva) c) Mitä menetelmiä voidaan käyttää maasilmukoiden katkaisuun? d) Mikä on signaalimaan tarkoitus? e) Miksi käytetään erillistä suojamaata? f) Anna esimerkkejä maadoitustavoista. KÄÄNNÄ

6 4. a) Mittaat Metexillä siniaaltoa, jonka taajuus on 150 Hz. Saat mittaustulokseksi DCasennossa V ja AC-asennossa V. Piirrä jännitteen kuvaaja aikatasossa. Paljonko on jännitteen tehollisarvo U RMS? b) Mittaat RC-alipäästösuodatinta oskilloskoopin ja signaaligeneraattorin avulla. Saat -3 db:n rajataajuudeksi 26 khz. Suodattimen vastuksen arvo on 4.7 kω. Mikä on kondensaattorin kapasitanssi? 5. Miten voit kokeellisesti määrittää lämpöanturin aikavakion?

7 S Mittaustekniikan perusteet Y - Tentti /Hovila, Merimaa Merkitse vastauspaperiin laboratoriotöiden suoritusvuosi. 1. Ohessa on 12 väittämää mittayksikköjärjestelmästä ja sen realisoinnista. Ovatko väittämät oikein vai väärin? Oikeasta vastauksesta saat 3/4 pistettä ja pisteiden summasta vähennetään 3 pistettä. Kokonaistulos ei kuitenkaan voi olla negatiivinen. Selityksiä ei huomioida. Vastaa oheisen mallin (kuva 1) mukaisesti ensimmäiselle sivulle. Kuva 1. Tehtävän 1 vastausmalli. Väittämät: 1. Mittayksikköjärjestelmään sisältyy perussuureita, joita ei ole mahdollista realisoida määritelmänsä mukaan. 2. Mitään mittayksikköjärjestelmän perussuureista ei enää realisoida prototyypin (=artefaktin) avulla. 3. Mittayksiköille on määritelty kerrannaisia suurten ja pienten arvojen ilmaisun helpottamiseksi. Määritelmät piko=10-9, nano=10-12, femto=10-15, atto=10-18, tsepto=10-21 ja jokto=10-24 ovat oikein. 4. SI-perussuureita on yhteensä Metrin määritemän realisoinnissa tarvitaan sekuntia. 6. Realisoitaessa metriä varsinainen pituusmittaus tehdään interferometrisesti mittaamalla valon aallonpituuksia tai sen osia. 7. Termodynaaminen lämpötila on vaikeasti mitattavissa ja siksi käytännön mittauksia varten on sovittu kansainvälisestä lämpötila-asteikosta. Matalassa lämpötilassa asteikko toteutetaan Planckin säteilylain avulla. 8. Valovoima kuvaa ihmissilmän havaitsemaa kirkkautta ns. standardihavaitsijan päivänäkemisen herkkyyskäyrän mukaisesti. 9. SI-järjestelmään kuuluvien yksiköiden kanssa ei ole sallittua käyttää mitään järjestelmään kuulumattomia yksiköitä. 10. Sekunti on SI-mittayksikköjärjestelmän tarkin yksikkö. 11. Sähkösuureet realisoidaan käytännössä Josephson ja Kvantti-Hall ilmiöiden avulla, ei SIperusyksiköiden avulla. 12. Josephson-liitos muodostaa resistanssinormaalin, jonka arvo saadaan luonnonvakioista ja taajuudesta. 2. Maadoitus a) Mitkä ovat maadoituksen tehtävät? b) Mikä on maasilmukka? (Piirrä kuva) c) Mitä menetelmiä voidaan käyttää maasilmukoiden katkaisuun? d) Mikä on signaalimaan tarkoitus? e) Miksi käytetään erillistä suojamaata? f) Anna esimerkkejä maadoitustavoista. 3. Termopari Termoparia käytetään lämpötilan mittaukseen. Selitä termoparin toiminta, sen rajoitukset sekä mittaukseen vaikuttavat tekijät. Toiminnan kuvaukseen tulee sisältyä termojännitteen synnyn selitys, termojännitteen mittauksen periaate sekä yksinkertainen mittauskytkentä. KÄÄNNÄ

8 4. a) Mittaat Metexillä siniaaltoa, jonka taajuus on 150 Hz. Saat mittaustulokseksi DCasennossa V ja AC-asennossa V. Piirrä jännitteen kuvaaja aikatasossa. Paljonko on jännitteen tehollisarvo U RMS? b) Mittaat RC-alipäästösuodatinta oskilloskoopin ja signaaligeneraattorin avulla. Saat -3 db:n rajataajuudeksi 26 khz. Suodattimen vastuksen arvo on 4.7 kω. Mikä on kondensaattorin kapasitanssi? 5. Miten voit kokeellisesti määrittää lämpöanturin aikavakion?

9 S Mittaustekniikan perusteet Y - Tentti Hovila, Merimaa Merkitse vastauspaperiin laboratoriotöiden suoritusvuosi. 1. Ohessa on 12 väittämää mittausepävarmuudesta ja mittatarkkuden ylläpidosta. Ovatko väittämät oikein vai väärin? Oikeasta vastauksesta saat 3/4 pistettä ja pisteiden summasta vähennetään 3 pistettä. Kokonaistulos ei kuitenkaan voi olla negatiivinen. Selityksiä ei huomioida. Vastaa oheisen mallin (kuva 1) mukaisesti ensimmäiselle sivulle. Kuva 1. Tehtävän 1 vastausmalli. Väittämät: 1. Mittausepävarmuus on mittaustulokseen liittyvä parametri, joka kuvaa mittaussuureen arvojen odotettua vaihtelua. 2. Mittaustuloksia ilmoitettaessa mittausvirhettä ei tiedetä. 3. Tyypin B mittausepävarmuus määritellään mittaussarjan tilastollisten ominaisuuksien perusteella 4. Standardiepävarmuus on mittaustulosten estimoitu varianssi. 5. Stabiiliudella tarkoitetaan mittalaitteen kykyä säilyttää metrologiset ominaisuutensa ajan kuluessa. 6. Mittausstandardi on kiintomitta, mittauslaite, vertailuaine tai mittausjärjestelmä, jolla määritellään, toteutetaan, säilytetään tai toistetaan suureen mittayksikkö tai suureen yksi tai useampi referenssiarvo. 7. Kalibroinnin jälkeen mittalaitteen näyttämän tai kiintomitan arvon yhteys suureen tosiarvoon tunnetaan ilman epävarmuutta. 8. Laite on kalibroitava vain mikäli halutaan saavuttaa laitevalmistajan ilmoittamaa epävarmuutta pienempi epävarmuustaso. 9. Kalibroinnissa verrataan mittalaitteen näyttämää tai kiintomitan arvoa mittanormaaliin. 10. Mikäli mittaustulos saadaan yhtälöstä y = a1x1 + a2x2 (ei ristikorrelaatiota), saadaan yhdistetty standardiepävarmuus yhtälöstä u c ( y) = a ( ) ( ) missä u(x 1 u x1 + a 2u x2 i) ovat parametrien x i standardiepävarmuudet. 11. Jos mittaustulokset ovat normaalijakautuneita ja standardiepävarmuus on luotettavasti määritetty, voi välin y± u c (y) odottaa sisältävän 68% todennäköisyydellä oikean arvon. 12. Systemaattinen virhe pysyy samana tai muuttuu epäsäännöllisellä tavallla. 2. Kuvassa 2 on esitetty pyyhkäisevän spektrianalysaattorin yksinkertaistettu lohkokaavio. Selitä lyhyesti lohkokaavion osien toiminta ja tarkoitus (poislukien videosuodatin, välitaajuusvahvistin, referenssioskillaattori ja vaimentimiet). Olet asettanut spektrianalysaattorin pyyhkäisemään taajuusvälin 0 1 GHz ja spektrianalysaattorin sisääntuloon viedään 500 MHz:n sinisignaali. Vertaa spektrianalysaattorin näytölle muodostuvaa kuvaa ja alkuperäistä spektriä ja selitä erot. Esivalitsin tai alipäästösuodatin Sekoittaja Välitaajuussuodatin (kaistanpäästö) Ilmaisin Sisääntulovaimennin Välitaajuusvahvistin Logvahvistin Videosuodatin Y Paikallisoskillaattori Pyyhkäisygeneraattori X Kuva 2. Pyyhkäisevän spektrianalysaattorin lohkokaavio. Referenssioskillattori (kide) Näyttö KÄÄNNÄ

10 3. Kuvassa 3 on esitetty kolme erilaista teollisuuden mittauksissa yleisesti käytettyä mittaanturia. Selitä näiten antureiden toiminta pääpiirteittäin. Mihin näitä antureita käytetään? A B Liike C Vaste Heräte Kuva 3. Antureita: A) Fotodiodi, B) Pt-100 -anturi ja C) differentiaalimuuntaja 4. a) Mittaat lämpöanturilla mittaustehoilla P 1 = 7 mw ja P 2 = 13 mw. Saat lämpötiloiksi vastaavasti C ja C. Ympäristön lämpötilan oletetaan pysyvän vakiona. Laske anturin lämpövastus sekä ympäristön lämpötila. b) Mittaat Metexillä siniaaltoa, jonka taajuus on 100 Hz. Saat mittaustulokseksi DCasennossa V ja AC-asennossa V. Piirrä jännitteen kuvaaja aikatasossa. Mikä on signaalin jännitteen tehollisarvo U RMS? 5. Mittaat RC-alipäästösuodattimen siirtofunktiota signaaligeneraattorin ja oskilloskoopin avulla. Saat seuraavat tulokset: Taajuus f [Hz] Ulostulon jännite U out [V] Taajuus f [Hz] Ulostulon jännite U out [V] Suodattimen resistanssin arvo on 4.7 kω. Mikä on kondensaattorin kapasitanssi?

11 S Mittaustekniikan perusteet Y /Merimaa, Hovila HUOM! Merkitse vastauspaperiin laboratoriotöiden suoritusvuosi, mikäli tämä on viimeinen osasuorituksesi. 1. Ohessa on 12 väittämää oskilloskoopista. Ovatko väittämät oikein vai väärin? Oikeasta vastauksesta saat 3/4 pistettä ja pisteiden summasta vähennetään 3 pistettä. Kokonaistulos ei kuitenkaan voi olla negatiivinen. Selityksiä ei huomioida. Vastaa oheisen mallin (kuva 1) mukaisesti ensimmäiselle sivulle. Kuva 1. Tehtävän 1 vastausmalli. Väittämät: 1. Jännitemittapäätä käytettäessä oskilloskooppi ei kuormita mitattavaa piiriä lainkaan. 2. Equivalent time sampling moodi sopii kertailmiöiden mittaukseen. 3. Oskilloskooppimittauksen ylärajataajuus riippuu oskilloskoopin lisäksi myös mittapäästä. 4. Tavanomaisella analogisella oskilloskoopilla voidaan tarkastella myös liipaisuehtoa edeltävää signaalia. 5. Digitaalisten oskilloskooppien näytteenotto voidaan tehdä A/D-muunnosta nopeammaksi. 6. Interpoloinnilla tarkoitetaan Equivalent time sampling moodissa tapahtuvaa pisteiden asettelua oskilloskoopin näytölle. 7. Taajuuskorjatussa jännitteenjakajassa (tavallinen oskilloskoopin ottovaimennin) komponenttien hajakapasitanssit eivät (juurikaan) vaikuta jännitteenjaon suuruuteen. 8. Mitattaessa 100 MHz signaalia 100 MHz:n oskilloskoopilla ja sopivalla mittapäällä, on signaalin amplitudissa noin 30 % virhe. 9. Mittapään maadoitusjohdinta ei tarvitse käyttää mitattaessa yli 10 MHz:n taajuuksia, koska maadoitus tapahtuu luotettavasti myös verkkomaan kautta. 10. Kanttiaalto ei havaittavasti vääristy, mikäli sen taajuus on pienempi kuin oskilloskoopin ylärajataajuus. 11. Oskilloskoopin sisääntulo on tyypillisesti kelluva. 12. Mitattavan piirin ominaisuudet määräävät miten mittapää tulee virittää. 2. Selitä lyhyesti: a) Mittausepävarmuus b) Standardiepävarmuus c) Jäljitettävyys d) Kalibrointi e) Mittanormaali f) Miten yhdistät mittaukseen vaikuttavien tekijöiden standardiepävarmuudet yhdistetyksi standardiepävarmuudeksi u c? 3. Digitaalisissa yleismittareissa käytetään usein ns. kaksoisintegroivaa A/D-muunninta. a) Miksi nimenomaan integroivaa muunninta käytetään yleismittareissa? b) Piirrä muuntimen lohkokaavio. c) Selitä muunnosprosessin kulku. Piirrä myös kuva integraattorin jännitteestä muunnoksen aikana. KÄÄNNÄ

12 4. a) Mittaat lämpötilaa vastusanturilla siten, että anturiin syötettävä sähköteho on P 1 = 10 mw ja P 2 = 12 mw. Saat lämpötiloiksi vastaavasti C ja C. Ympäristön lämpötilan oletetaan pysyvän vakiona. Piirrä lämpöanturin terminen sijaiskytkentä. Laske anturin lämpövastus sekä ympäristön lämpötila. b) Mittaat kolmioaaltoa Metexillä. Saat mittaustulokseksi DC-asennossa V ja AC-asennossa V. Mikä on signaalin tehollisarvo? 5. Käytössäsi on signaaligeneraattori sekä oskilloskooppi mittapäineen. Selitä, miten saat RC-alipäästösuodattimen kondensaattorin kapasitanssin selville, jos tiedät vastuksen resistanssin.

13 S Mittaustekniikan perusteet Y /Merimaa HUOM! Merkitse vastauspaperiin laboratoriotöiden suoritusvuosi, mikäli tämä on viimeinen osasuorituksesi. 1. Ohessa on 12 väittämää yleismittarista ja taajuuslaskurista. Ovatko väittämät oikein vai väärin? Oikeasta vastauksesta saat 3/4 pistettä ja pisteiden summasta vähennetään 3 pistettä. Kokonaistulos ei kuitenkaan voi olla negatiivinen. Selityksiä ei huomioida. Vastaa oheisen mallin (kuva 1) mukaisesti ensimmäiselle sivulle. Kuva 1. Tehtävän 1 vastausmalli. Väittämät: 1. Aaltomuotoa kuvaavat suureet (tehollisarvo, tasasuunnattu keskiarvo, huippuarvo) saadaan toisistaan, vaikkei aaltomuotoa tunnettaisikaan. 2. Tehollisarvon (RMS) laskemiseksi signaaalista otetaan ensin neliöjuuri, se keskiarvoistetaan ja lopuksi tulos korotetaan toiseen potenssiin. 3. AC-jännite joka ilmaistaan tehollisarvonsa avulla antaa resistanssiin saman tehon kuin vastaavan suuruinen DC-jännite. 4. Oheisessa kuvassa esitetyillä aaltomuodilla (huippuarvo annettu) on kaikilla sama tehollisarvo v 1.11 v 1 v 5. Kaksoisintegroiva muunnin integroi sisääntulevan signaalin kahdesti. 6. Tehollisarvomuuntimella on maksimitaajuus, jota suuremmilla taajuuksilla se ei toimi oikein. 7. ±1 pulssin epävarmuus johtuu laskurin kellon ja signaalin välisen vaiheen satunnaisuudesta. 8. Periodimittauksessa laskurin sisäisen kellon jaksoja lasketaan käyttäjän asettama aika. 9. Pulssien laskennan ±1 epävarmuuden pienentämiseen voidaan käyttää mm. PLL-taajuuskertojaa. 10. Taajuuslakurin kellon taajuuden epävarmuus ei vaikuta periodimittauksen epävarmuuteen. 11. Taajuuslaskuri ei kuormita mitattavaa piiriä. 12. Tietylle mittausajalle periodimittauksen ±1 pulssin epävarmuus on vakio. 2. Selitä lyhyesti: a) Mihin tarkoitukseen käytetään oskilloskoopin HOLD OFF -säätöä? Anna esimerkki tilanteesta, jossa HOLD OFF -säätö on hyödyllinen. b) Oskilloskoopin liipaisun toimintaperiaate? c) Miksi oskilloskooppimittauksissa käytetään tavallisesti mittapäätä? d) Equivalent time sampling. e) Mitkä ovat digitaalisen oskilloskoopin edut analogiseen verrattuna? f) Mistä seikoista riippuu oskilloskooppimittauksen ylärajataajuus? KÄÄNNÄ

14 3. Olet tekemässä mittausta, jossa lopputuloksen määräämiseksi on tehtävä useita erillisiä mittauksia (esimerkki: kokonaisvirtaus usean erillisen putken läpi). Oletetaan mittausta kuvaavaksi yhtälöksi y = a x + a x a x N N, missä a i ovat tunnettuja vakioita ja x i ovat mittaustuloksina saatuja estimaatteja. Tunnet myös estimaattien standardiepävarmuudet u(x i ). Määritä mittaustuloksen yhdistetty standardiepävarmuus u c (y). Miten tulkitset standardiepävarmuuden, jos oletetat tulosten olevan normaalijakautuneita? 4. Esitä kuvaus Kirchhoffin lakien demonstroimisesta käyttäen apuna sopivia kytkentäkaavioita. Käytettävissä on jännite- ja virtamittareita, kaksi paristoa, kaksi vastusta sekä johtimia. (Kevään 98 YO-tehtävä) 5. Tarkastellaan kuvan 2. mukaista järjestelmää. Piirrä kuva ja selitä, kuinka kapasitiivinen, induktiivinen ja resistiivinen häiriö voivat kytkeytyä verkosta tai ulkopuolisista johtimista kuvan järjestelmään. Mitä suunnittelullisia tms. menetelmiä on mahdollista käyttää pienentämään kapasitiivisesti kytkeytyvää häiriötä? Lähetin Vastaanotin R S U R L 240V 0 V MAA Verkko Kuva 2. Järjestelmä, johon häiriö kytkeytyy.

15 S Mittaustekniikan perusteet Y /Merimaa HUOM! Merkitse vastauspaperiin laboratoriotöiden suoritusvuosi, mikäli tämä on viimeinen osasuorituksesi. 1. Ohessa on 12 väittämää mittausepävarmuudesta. Ovatko väittämät oikein vai väärin? Oikeasta vastauksesta saat 3/4 pistettä ja pisteiden summasta vähennetään 3 pistettä. Kokonaistulos ei kuitenkaan voi olla negatiivinen. Selityksiä ei huomioida. Vastaa oheisen mallin (kuva 1) mukaisesti ensimmäiselle sivulle. Kuva 1. Tehtävän 1 vastausmalli. Väittämät: 1. Tyypin B mittausepävarmuus määritetään mittaussarjan tilastollisten ominaisuuksien perusteella. 2. Osa systemaattisesta virheestä voi olla tunnettua. 3. Mitattavan arvon estimaatti (mittaustulos) on y ja sen standardiepävarmuus u c tunnetaan (oletus: normaalijakauma). Tällöin välin y± u c, voidaan odottaa sisältävän 95 % todennäköisyydellä oikean arvon Y. 4. Standardiepävarmuus u c ei sisällä systemaattisia virheitä. 5. Lopullinen tulos on usein funktio monesta parametrista: Y = f X, X,..., X ). Parametreihin X n ( 1 2 n voivat sisältyä mm. korjaustermit, mittaaja ja laboratorio, jossa mittaus tehdään. 6. Epästabiiliudella tarkoitetaan mittauslaitteen metrologisten ominaisuuksien muutosta ajan kuluessa. 7. Epästabiilille laitteelle (aikariippuvuus määräävä) ei ole välttämättä mahdollista laskea standardiepävarmuutta (epävarmuus ei konvergoi). 8. Mittaustulosten (mittauksista saatujen estimaattien) käsittelyn tarkoitus on vain määrittää epävarmuus, mitattavan suureeen arvo määritellään muilla tavoin. 9. Mikäli mittausepävarmuus ilmoitetaan prosentteina mittaustuloksesta, on kyseessä absoluuttinen mittausepävarmuus. 10. Useimmissa tapauksissa mittaustulos on käyttökelpoinen, vaikka tietoa tulokseen liittyvästä mittausepävarmuudesta ei olisikaan. 11. Kalibroinnilla sisältyy määritelmän mukaan laitteen säätäminen ja huoltaminen siten, että se näyttää oikeaa arvoa. 12. Kalibroinnilla ei voi poistaa epävarmuutta, joka aiheutuu laitteen käyttöympäristöstä. 2. Piirrä periaatekuva oskilloskoopin vaimentavasta mittapäästä. Miksi vaimentavaa mittapäätä käytetään ja miten se toimii? Optimoi 1:10 vaimentavan mittapään komponenttien arvot mahdollisimman tasaista taajuusvastetta varten, kun oskilloskoopin sisääntulon resistanssi on 0.9 MΩ ja kapasitanssi on 12 pf. Mikä on tällöin oskilloskoopin ottoimpedanssi 20 MHz:n taajuudella mittapään kanssa ja ilman sitä? KÄÄNNÄ

16 3. Vastuksen nelipistemittaus: a) Tarkastellaan kuvan 2 mukaista vastuksen nelipistemittausta. Miksi nelipistemittauksessa virtalähteen ja mitattavan vastuksen R välissä olevilla vastuksilla R1 ja R2 ei ole vaikutusta resistanssin R mittaustulokseen? b) Laske jännitemittarin (V) ja mitattavan vastuksen R välissä olevien johdinvastusten R3 ja R4 (~ 2 Ω) suhteellinen vaikutus mittaustulokseen, kun volttimittarin sisäinen resistanssi on 1 MΩ ja mitattavan vastuksen suuruus on 50 Ω. R1 R3 R2 R R4 V Kuva 2. Vastuksen nelipistemittaus. 4. Metri, miten se määritellään ja mitä kaikkea tarvitaan jotta määritelmästä päästään pituuden mittaamiseen? (lukuarvojen tarkkaa muistamista ei edellytetä) 5. Kuvassa 3 on esitetty kolme erilaista teollisuuden mittauksissa yleisesti käytettyä mittaanturia. Selitä näiten antureiden toiminta pääpiirteittäin. Mihin näitä antureita käytetään? A B Liike C Vaste Heräte Kuva 3. Antureita: A) Fotodiodi, B) Pt-100 -anturi ja C) differentiaalimuuntaja

17 S Mittaustekniikan perusteet Y /Merimaa HUOM! Merkitse vastauspaperiin laboratoriotöiden suoritusvuosi, mikäli tämä on viimeinen osasuorituksesi. 1. Ohessa on 12 väittämää spektrianalysaattoreista. Ovatko väittämät oikein vai väärin? Oikeasta vastauksesta saat 3/4 pistettä ja pisteiden summasta vähennetään 3 pistettä. Kokonaistulos ei kuitenkaan voi olla negatiivinen. Selityksiä ei huomioida. Vastaa oheisen mallin (kuva 1) mukaisesti ensimmäiselle sivulle. Kuva 1. Tehtävän 1 vastausmalli. Väittämät: 1. Säädettävä kaistanpäästösuodin on käytännöllinen komponentti, jota käytetään pyyhkäisevässä spektrianalysattorissa. 2. Pyyhkäisevän spektrianalysaattorin resoluutio paranee kun pyyhkäistään nopeammin. 3. Kapeaa suodatinta käytettäessä on mahdollista havaita heikompia signaaleja. 4. Pyyhkäisevä spektrianalysaattoria käytetään usein transientti-ilmiöiden tarkasteluun. 5. FFT-spektrianalysaattorilla saadaan kaikki (mittausalueella olevat) taajuudet samanaikaisesti. 6. FFT-spektrianalysaattorissa näytteenottonopeus määrää resoluution. 7. Ikkunointia on välttämätöntä käyttää FFT-spektrianalysaattorissa alias-ilmiön takia. 8. Ikkunafunktion muoto vaikuttaa mitatun spektrin muotoon. 9. FFT-spektrianalysaattorin A/D-muuntimen bittimäärä ja muut ominaisuudet määräävät analysaattorin dynaamisen alueen. 10. Jos FFT-spektrianalysaattori ottaa 2 N näytettä signaalista, saadaan tällöin mittaustuloksena 2 2 N spektrikomponenttia. 11. FFT-perustuu oletukseen, että mitattu näytejono toistuu äärettömästi. 12. Transienttimittauksissa FFT-analysaattorilla signaali vaimennetaan nollaan mittausajan lopussa, ellei signaali tee sitä luonnostaan. 2. Metri, miten se määritellään ja mitä kaikkea tarvitaan jotta määritelmästä päästään pituuden mittaamiseen? (lukuarvojen tarkkaa muistamista ei edellytetä) 3. Tarkastellaan kuvan 2. mukaista järjestelmää. Piirrä kuva ja selitä, kuinka kapasitiivinen, induktiivinen ja resistiivinen häiriö voivat kytkeytyä verkosta tai ulkopuolisista johtimista kuvan järjestelmään. Mitä suunnittelullisia tms. menetelmiä on mahdollista käyttää pienentämään kapasitiivisesti kytkeytyvää häiriötä? KÄÄNNÄ

18 Lähetin Vastaanotin R S U R L 240V 0 V MAA Kuva 2. Järjestelmä, johon häiriö kytkeytyy. Verkko 4. a) Selitä vastuksen nelipistemittaus. b) Määrittele AC-jännitteen tehollisarvo. 5. Piirrä periaatekuva oskilloskoopin vaimentavasta mittapäästä. Miksi vaimentavaa mittapäätä käytetään ja miten se toimii? Optimoi 1:10 vaimentavan mittapään komponenttien arvot mahdollisimman tasaista taajuusvastetta varten, kun oskilloskoopin sisääntulon resistanssi on 0.9 MΩ ja kapasitanssi on 12 pf. Mikä on tällöin oskilloskoopin ottoimpedanssi 20 MHz:n taajuudella mittapään kanssa ja ilman sitä?

19 S Mittaustekniikan perusteet Y /Merimaa HUOM! Merkitse vastauspaperiin laboratoriotöiden suoritusvuosi, mikäli tämä on viimeinen osasuorituksesi. 1. Ohessa on 12 väittämää yleismittarista ja taajuuslaskurista. Ovatko väittämät oikein vai väärin? Oikeasta vastauksesta saat 3/4 pistettä ja pisteiden summasta vähennetään 3 pistettä. Kokonaistulos ei kuitenkaan voi olla negatiivinen. Selityksiä ei huomioida. Vastaa oheisen mallin (kuva 1) mukaisesti ensimmäiselle sivulle. Kuva 1. Tehtävän 1 vastausmalli. Väittämät: 1. Aaltomuotoa kuvaavat suureet (tehollisarvo, tasasuunnattu keskiarvo, huippuarvo) saadaan toisistaan, vaikkei aaltomuotoa tunnettaisikaan. 2. Tehollisarvon (RMS) laskemiseksi signaaalista otetaan ensin neliöjuuri, se keskiarvoistetaan ja lopuksi tulos korotetaan toiseen potenssiin. 3. AC-jännite joka ilmaistaan tehollisarvonsa avulla antaa resistanssiin saman tehon kuin vastaavan suuruinen DC-jännite. 4. Oheisessa kuvassa esitetyillä aaltomuodilla (huippuarvo annettu) on kaikilla sama tehollisarvo v 1.11 v 1 v 5. Kaksoisintegroiva muunnin integroi sisääntulevan signaalin kahdesti. 6. Tehollisarvomuuntimella on maksimitaajuus, jota suuremmilla taajuuksilla se ei toimi oikein. 7. ±1 pulssin epävarmuus johtuu laskurin kellon ja signaalin välisen vaiheen satunnaisuudesta. 8. Periodimittauksessa laskurin sisäisen kellon jaksoja lasketaan käyttäjän asettama aika. 9. Pulssien laskennan ±1 epävarmuuden pienentämiseen voidaan käyttää mm. PLLtaajuuskertojaa. 10. Taajuuslakurin kellon taajuuden epävarmuus ei vaikuta periodimittauksen epävarmuuteen. 11. Taajuuslaskuri ei kuormita mitattavaa piiriä. 12. Tietylle mittausajalle periodimittauksen ±1 pulssin epävarmuus on vakio. 2. Esitä kuvaus Kirchhoffin lakien demonstroimisesta käyttäen apuna sopivia kytkentäkaavioita. Käytettävissä on jännite- ja virtamittareita, kaksi paristoa, kaksi vastusta sekä johtimia. (Kevään 98 YO-tehtävä) 3. Tarkastellaan kuvan 2. mukaista järjestelmää. Piirrä kuva ja selitä, kuinka kapasitiivinen, induktiivinen ja resistiivinen häiriö voivat kytkeytyä verkosta tai ulkopuolisista johtimista kuvan järjestelmään. Mitä suunnittelullisia tms. menetelmiä on mahdollista käyttää pienentämään kapasitiivisesti kytkeytyvää häiriötä?

20 Lähetin Vastaanotin KÄÄNNÄ R S U R L 240V 0 V MAA Verkko Kuva 2. Järjestelmä, johon häiriö kytkeytyy. 4. Määrittele lyhyesti tai piirrä: a) Vastuksen nelipistemittaus b) Hystereesi c) Lämpösähköinen anturi eli termoelementti d) Mittapään virittäminen e) Alias-ilmiö f) Differentiaalimuuntaja (LVDT) 5. Laske (mittauskaistanleveys on 1 MHz.): a) Termisen kohinajännitteen tehollisarvo 10 kω vastukselle 400 K lämpötilassa. b) Raekohinavirran tehollisarvo, kun 1 ma:n virta kulkee diodin läpi. (Bolzmann s constant: J/K, electron charge: 1, C)

21 S Mittaustekniikan perusteet Y /Merimaa HUOM! Merkitse vastauspaperiin laboratoriotöiden suoritusvuosi, mikäli tämä on viimeinen osasuorituksesi. 1. Ohessa on 12 väittämää oskilloskoopista. Ovatko väittämät oikein vai väärin? Oikeasta vastauksesta saat ½ pistettä, tyhjästä 0 pistettä ja väärästä -½ pistettä. Kokonaistulos ei kuitenkaan voi olla negatiivinen. Selityksiä ei huomioida. Vastaa oheisen mallin (kuva 1) mukaisesti. Kuva 1. Tehtävän 1 vastausmalli. Väittämät: 1. Jännitemittapäätä käytettäessä oskilloskooppi ei kuormita mitattavaa piiriä lainkaan. 2. Equivalent time sampling moodi sopii vain jatkuvien signalien mittaukseen. 3. Oskilloskooppimittauksen ylärajataajuus riippuu oskilloskoopin lisäksi myös mittapäästä. 4. Tavanomaisella analogisella oskilloskoopilla voidaan tarkastella myös liipaisuehtoa edeltävää signaalia. 5. Digitaalisten oskilloskooppien näytteenotto voidaan tehdä A/D-muunnosta nopeammaksi. 6. Interpoloinnilla tarkoitetaan Equivalent time sampling moodissa tapahtuvaa pisteiden asettelua oskilloskoopin näytölle. 7. Taajuuskorjatussa jännitteenjakajassa (tavallinen oskilloskoopin ottovaimennin) komponenttien hajakapasitanssit eivät (juurikaan) vaikuta jännitteenjaon suuruuteen. 8. Mitattaessa 100 MHz signaalia 100 MHz:n oskilloskoopilla ja sopivalla mittapäällä, on signaalin amplitudissa noin 30 % virhe. 9. Mittapään maadoitusjohdinta ei tarvitse käyttää mitattaessa yli 10 MHz:n taajuuksia, koska maadoitus tapahtuu luotettavasti myös verkkomaan kautta. 10. Kanttiaalto ei havaittavasti vääristy, mikäli sen taajuus on alle puolet oskilloskoopin ylärajataajuudesta. 11. Oskilloskoopin sisääntulo on tyypillisesti kelluva. 12. Mitattavan piirin ominaisuudet määräävät miten mittapää tulee virittää. 2. Olet tekemässä mittausta, jossa lopputuloksen määräämiseksi on tehtävä useita erillisiä mittauksia (esimerkki: kokonaisvirtaus usean erillisen putken läpi). Nyt mittausta kuvaava yhtälö on y = a x + a x a x N N, missä a i ovat tunnettuja vakioita ja x i ovat mittaustuloksina saatuja estimaatteja. Tunnet myös estimaattien standardiepävarmuudet u(x i ). Määritä mittaustuloksen yhdistetty standardiepävarmuus u c (y). Miten standardi-epävarmuus on (yleisesti) tulkittavaissa, jos oletetaan tulosten olevan normaalijakautuneita? 3. a) Selitä, mitä tarkoittaa A/D-muuntimen dynaaminen alue. KÄÄNNÄ

22 b) Miksi alias-ilmiö (laskostuminen) haittaa mittalaitteita, jotka käyttävät A/Dmuuntimia. c) Mitä etuja saavutetaan, jos mittalaitteet liitetään suoraan sisäväylään? 4. Digitaalisissa yleismittareissa käytetään usein ns. kaksoisintegroivaa A/Dmuunninta. a) Miksi nimenomaan integroivaa muunninta käytetään yleismittareissa? b) Piirrä muuntimen lohkokaavio. c) Selitä muunnosprosessin kulku. Piirrä myös kuva integraattorin jännitteestä muunnoksen aikana. 4. Kuvassa 2 on esitetty kolme erilaista teollisuuden mittauksissa yleisesti käytettyä mitta-anturia. Selitä näiten antureiden toiminta pääpiirteittäin. Mihin näitä antureita käytetään? A B Liike C Vaste Heräte Kuva 2. Antureita: A) Fotodiodi, B) Pt-100 -anturi ja C) differentiaalimuuntaja

23 S Mittaustekniikan perusteet Y /Merimaa HUOM! Merkitse vastauspaperiin muiden osasuoritustesi suoritusvuodet, mikäli tämä on viimeinen osasuorituksesi. 1. Piirrä periaatekuva oskilloskoopin vaimentavasta mittapäästä. Miksi vaimentavaa mittapäätä käytetään ja miten se toimii? Optimoi 1:10 vaimentavan mittapään komponenttien arvot mahdollisimman tasaista taajuusvastetta varten, kun oskilloskoopin sisääntulon resistanssi on 0.9 MΩ ja kapasitanssi on 12 pf. Mikä on tällöin oskilloskoopin ottoimpedanssi 20 MHz:n taajuudella mittapään kanssa ja ilman sitä? 2. Digitaalisissa yleismittareissa käytetään usein ns. kaksoisintegroivaa A/Dmuunninta. a) Miksi nimenomaan integroivaa muunninta käytetään yleismittareissa? b) Piirrä muuntimen lohkokaavio. c) Selitä muunnosprosessin kulku. Piirrä myös kuva integraattorin jännitteestä muunnoksen aikana. 3. Tarkastellaan kuvan 1. mukaista järjestelmää. Piirrä kuva ja selitä kuvan avulla, kuinka kapasitiivinen, induktiivinen ja resistiivinen häiriö voivat kytkeytyä verkosta tai ulkopuolisista johtimista kuvan järjestelmään. Mitä suunnittelullisia tms. menetelmiä on mahdollista käyttää pienentämään kapasitiivisesti kytkeytyvää häiriötä? I H Lähetin Vastaanotin R S U R L U H Verkko: 240V rms MAA I H Kuva 1. Järjestelmä, johon häiriö kytkeytyy. 4. Olet tekemässä mittausta, jossa lopputuloksen määräämiseksi on tehtävä useita erillisiä mittauksia (esimerkki: kokonaisvirtaus usean erillisen putken läpi). Nyt mittausta kuvaava yhtälö on y = a x + a x a x N N, missä a i ovat tunnettuja vakioita ja x i ovat mittaustuloksina saatuja estimaatteja. Tunnet myös estimaattien standardiepävarmuudet u(x i ). Määritä mittaustuloksen yhdistetty standardiepävarmuus u c (y). Miten standardiepävarmuus on tulkittavaissa, jos oletetaan tulosten olevan normaalijakautuneita? KÄÄNNÄ

24 5. Kuvassa 2 on esitetty kolme erilaista teollisuuden mittauksissa yleisesti käytettyä mitta-anturia. Selitä näiten antureiden toiminta pääpiirteittäin. Mihin näitä antureita käytetään? A B Liike C Vaste Heräte Kuva 2. Antureita: A) Fotodiodi, B) Pt-100 -anturi ja C) differentiaalimuuntaja

25 S Mittaustekniikan perusteet Y /Merimaa HUOM! Merkitse vastauspaperiin muiden osasuoritustesi suoritusvuodet, mikäli tämä on viimeinen osasuorituksesi. 1. Piirrä periaatekuva oskilloskoopin vaimentavasta mittapäästä. Miksi vaimentavaa mittapäätä käytetään ja miten se toimii? Optimoi 1:10 vaimentavan mittapään komponenttien arvot mahdollisimman tasaista taajuusvastetta varten, kun oskilloskoopin sisääntulon resistanssi on 0.9 MΩ ja kapasitanssi on 12 pf. Mikä on tällöin oskilloskoopin ottoimpedanssi 20 MHz:n taajuudella mittapään kanssa ja ilman sitä? 2. Digitaalisissa yleismittareissa käytetään usein ns. kaksoisintegroivaa A/Dmuunninta. a) Miksi nimenomaan integroivaa muunninta käytetään yleismittareissa? b) Piirrä muuntimen lohkokaavio. c) Selitä muunnosprosessin kulku. Piirrä myös kuva integraattorin jännitteestä muunnoksen aikana. 3. Tarkastellaan kuvan 1. mukaista järjestelmää. Piirrä kuva ja selitä, kuinka kapasitiivinen, induktiivinen ja resistiivinen häiriö voivat kytkeytyä verkosta tai ulkopuolisista johtimista kuvan järjestelmään. Mitä suunnittelullisia tms. menetelmiä on mahdollista käyttää pienentämään kapasitiivisesti kytkeytyvää häiriötä? I H Lähetin Vastaanotin R S U R L U H Verkko: 240V rms MAA I H Kuva 1. Järjestelmä, johon häiriö kytkeytyy. 4. Selitä lyhyesti: a) Mittausepävarmuus b) Standardiepävarmuus c) Kalibrointi d) Aikavakio ja nousuaika e) Miten erottelukyky ja herkkyys poikkeavat toisistaan f) Mitä tarkoitetaan mittaustekniikassa laitteen epästabiililiudella?

26 5. Kuvassa 2 on esitetty kolme erilaista teollisuuden mittauksissa yleisesti käytettyä mitta-anturia. Selitä näiten antureiden toiminta pääpiirteittäin. Mihin näitä antureita käytetään? A B Liike C Vaste Heräte Kuva 2. Antureita: A) Fotodiodi, B) Pt-100 -anturi ja C) differentiaalimuuntaja

27 S Mittaustekniikan perusteet Y /Merimaa HUOM! Merkitse vastauspaperiin muiden osasuoritustesi suoritusvuodet, mikäli tämä on viimeinen osasuorituksesi. 1. Vastuksen nelipistemittaus: a) Tarkastellaan kuvan 1 mukaista vastuksen nelipistemittausta. Miksi nelipistemittauksessa virtalähteen ja mitattavan vastuksen R välissä olevilla vastuksilla R1 ja R2 ei ole vaikutusta resistanssin R mittaustulokseen? b) Laske jännitemittarin (V) ja mitattavan vastuksen R välissä olevien johdinvastusten R3 ja R4 (~ 2 Ω) suhteellinen vaikutus mittaustulokseen, kun volttimittarin sisäinen resistanssi on 1 MΩ ja mitattavan vastuksen suuruus on 50 Ω. R1 R3 R2 R R4 V Kuva 1. Vastuksen nelipistemittaus. 2. Selitä lyhyesti: a) Mittausepävarmuus b) Standardiepävarmuus c) Kalibrointi d) Aikavakio ja nousuaika e) Miten erottelukyky ja herkkyys poikkeavat toisistaan f) Mitä tarkoitetaan mittaustekniikassa laitteen epästabiililiudella? 3. Kuvassa 2 on esitetty järjestelmä, jolla tarkastellaan erilaisten häiriöiden kytkeytymistä signaaliiin, joka kulkee kahden laitteen välillä. Järjestelmään kytketään häiriöitä induktiivisesti, kapasitiivisesti ja resistiivisesti. Resistiivisessä kytkeytymisessä häiriövirta kulkee laitteen kotelon kautta verkkomaahan. a) Selitä miten eri häiriöt kytkeytyvät signaaliin, jos signaalijohtimena käytetään tavallista suojaamatonta yksisäikeistä johtoa. b) Miksi koaksiaalikaapeli tai kierretty parikaapeli (symmetrinen kytkentä) vaimentavat erityyppisiä häiriöitä? KÄÄNNÄ

28 1 2 3 Vastaanotin Signaalijohdin Lähetin Pistorasia Maadoitettu sähköverkko Kuva 2. Häiriön kytkeytyminen. 1. induktiivinen kytkeytyminen magneettikenttäantennista, 2 kapasitiivinen kytkeytyminen sähkökenttäantennista ja 3. Resistiivinen kytkeytyminen. Johtimet ja antennit ovat pöytätasossa kuvan esittämällä tavalla. Resistiivinen kytkeytyminen tapahtuu laitteen maadoituksen kautta verkkomaahan. 4. Käytännon komponentit, kuten vastukset, kondensaattorit ja kelat ovat aina jonkin verran epäideaalisia. Vastuksen epäideaalisuutta voidaan melko hyvin mallittaa parasiittisella kapasitanssilla ja induktanssilla. Piirrä vastuksen sijaiskytkentä, jossa nämä epäideaalisuudet on otettu huomioon. Komponenttien arvot riippuvat myös ympäristöolosuhteista tms. Mitä riippuvuuksia vastuksen arvolla tyypillisesti on? 5. Kuvassa 3 on esitetty kolme erilaista teollisuuden mittauksissa yleisesti käytettyä mitta-anturia. Selitä näiten antureiden toiminta pääpiirteittäin. Mihin näitä antureita käytetään? A E 2 d B p v p 2 v2 V E 1 Liike Magneettikela C Vaste Heräte Kuva 3. Antureita: A) magneettinen virtausanturi, B) mittauslaippa ja C) differentiaalimuuntaja

29 S Mittaustekniikan perusteet Y /Merimaa HUOM! Merkitse vastauspaperiin muiden osasuoritustesi suoritusvuodet, mikäli tämä on viimeinen osasuorituksesi. 1. a) Luettele SI-järjestelmän perussuureet. b) Määrittele neljä perussuuretta (saat itse valita suureet). 2. Selitä lyhyesti: a) Mihin tarkoitukseen käytetään oskilloskoopin HOLD OFF-säätöä? Anna esimerkki tilanteesta, jossa HOLD OFF-säätö on hyödyllinen. b) Oskilloskoopin liipaisun toimintaperiaate? c) Miksi oskilloskooppimittauksissa käytetään tavallisesti mittapäätä? d) Miten resistanssilämpöanturi voi vaikuttaa mitattavaan kohteeseen? e) Miksi resistanssin nelipistemittaus on tarkempi, kuin kaksipistemittaus? f) Mikä on Pt-100 anturi? 3. Tarkastellaan kuvan 1. mukaista järjestelmää. Piirrä kuva ja selitä, kuinka kapasitiivinen, induktiivinen ja resistiivinen häiriö voivat kytkeytyä verkosta tai ulkopuolisista johtimista kuvan järjestelmään. Mitä suunnittelullisia tms. menetelmiä on mahdollista käyttää pienentämään kapasitiivisesti kytkeytyvää häiriötä? Lähetin Vastaanotin R S U R L 240V 0 V MAA Kuva 1. Järjestelmä, johon häiriö kytkeytyy. Verkko KÄÄNNÄ

30 4. Esittele passiivisten komponenttien (vastus, kela ja kondensaattori) epäideaalisuuksia sekä ko. komponenttien arvojen riippuvuuksia käyttöolosuhteista. 5. a) Määrittele kohina. b) Määrittele häiriö. c) Mitä eri kohinatyyppejä näkyy kuvan 2 mukaisen järjestelmän ulostulossa ja missä järjestelmän osissa ne syntyvät? d) Mittaat ulostulon kohinaa RMS-yleismittarilla, jonka mittauskaistanleveys on tunnettu. Mitkä tekijät (ulkoiset ja sisäiset) vaikuttavat mitatun kohinan suuruuteen? Diodi Paristo + Vastus Ulostulo Kuva 2. Kohiseva piiri

31 S Mittaustekniikan perusteet Y /Merimaa HUOM! Merkitse vastauspaperiin muiden osasuoritustesi suoritusvuodet, mikäli tämä on viimeinen osasuorituksesi. 1. a) Luettele SI-järjestelmän perussuureet. b) Määrittele neljä perussuuretta (saat itse valita suureet). 2. Luettele neljä A/D-muunnintyyppiä ja selitä niistä kahden toiminta (mitä tapahtuu muunnoksen eri vaiheissa). Piirrä selitykseesi muuntimien periaatekuvat. 3. Tarkastellaan kuvan 1. mukaista järjestelmää. - Piirrä kuva ja selitä, kuinka kapasitiivinen, induktiivinen ja resistiivinen häiriö kytkeytyvät järjestelmään. - Selitä miksi symmetrinen kytkentä (ei kuvassa) vaimentaa tehokkaasti edellämainittuja häiriöitä. Lähetin Vastaanotin R S U R L 240V 0 V MAA Kuva 1. Järjestelmä, johon häiriö kytkeytyy. Verkko 4. Esittele vastuksen epäideaalisuuksia. 5. Oheisissa kuvissa 2-4 on esitetty erilaisia mittalaitteita ja antureita. Mihin näitä laitteita käytetään? Selitä myös Laitteiden toiminta pääpiirteittäin. Lähde Optiikka Ilmaisin Havaintolinssi Kuva 2. Pyrometri. KÄÄNNÄ

32 Kuva 3. Venymäliuska. Kuva 4. Valomonistin.

33 S Mittaustekniikan perusteet Y /Merimaa HUOM! Merkitse vastauspaperiin muiden osasuoritustesi suoritusvuodet, mikäli tämä on viimeinen osasuorituksesi. 1. Oheisissa kuvissa 1-3 on esitetty erilaisia mittalaitteita ja antureita. Selitä laitteiden toiminta pääpiirteittäin. Mihin näitä laitteita käytetään? lähestymisosa p v 1 1 p v 2 2 poisto-osa paine-eron mittausyksikkö Kuva 1. Venturiputki. Kuva 2. Valodiodi. Lähde Optiikka Ilmaisin Havaintolinssi Kuva 3. Pyrometri. 2. Oheisessa kuvassa 4 on esitetty lock-in-vahvistimen periaatekuva. Lock-in vahvistinta käytetään mm. heikkojen signaalien havaitsemiseen kohinan ja häiriöiden alta. Lock-invahvistimen ytimen muodostavat kertoja ja alipäästösuodin. Kertojalle viedään referenssisignaali oskillaattorilta sekä mittauksesta saatava signaali, jossa on usein hyvin paljon kohinaa. Kertojalta saatava signaali alipäästösuodatetaan. a) Piirrä kertojalle tulevien ja kertojalta lähtevien signaalien spektrit. b) Selitä mihin alipäästösuodatinta tarvitaan. c) Miksi referenssisignaalin vaiheen tulee olla säädettävä? Oskillaattori Vaiheensiirto (viive) φ Kertoja Alipäästösuodin Ulostulo Moduloitu valonlähde (LED) Mittaus Anturi (fotodiodi) Kuva 4. Optisen vaimennuksen (esim. aurinkolasien tummuus) mittaus lock-in-vahvistinta käyttäen. Ulostulona saadaan vaimentimen läpäisyyn verrannollinen signaali.

34 3. Olet tekemässä mittausta, jossa lopputuloksen määräämiseksi on tehtävä useita erillisiä mittauksia (esimerkki: kokonaisvirtaus usean erillisen putken läpi). Nyt mittausta kuvaava yhtälö on y = a x + a x a x N N, missä ai ovat tunnettuja vakioita ja x i ovat mittaustuloksina saatuja estimaatteja. Tunnet myös estimaattien standardiepävarmuudet u(x i ). Määritä mittaustuloksen yhdistetty standardiepävarmuus u c (y). Miten standardiepävarmuus on tulkittavaissa, jos oletetaan tulosten olevan normaalijakautuneita? 4. Selitä lyhyesti: a) Mihin tarkoitukseen käytetään oskilloskoopin HOLD OFF-säätöä? Anna esimerkki tilanteesta, jossa HOLD OFF-säätö on hyödyllinen. b) Miten resistanssilämpöanturi voi vaikuttaa mitattavaan kohteeseen? c) Miksi resistanssin nelipistemittaus on tarkempi, kuin kaksipistemittaus? d) Mikä on Pt-100 anturi? e) Selitä suora taajuusmittaus (2 p) 5. Laske (mittauskaistanleveys on 1 MHz.): a) Termisen kohinajännitteen tehollisarvo 10 kω vastukselle 400 K lämpötilassa. b) Raekohinavirran tehollisarvo, kun 1 ma:n virta kulkee diodin läpi. (Bolzmann s constant: J/K, electron charge: 1, C)

35 S Mittaustekniikan perusteet Y /Merimaa HUOM! Merkitse vastauspaperiin muiden osasuoritustesi suoritusvuodet, mikäli tämä on viimeinen osasuorituksesi. 1. a) Määrittele kohina. b) Määrittele häiriö. c) Mitä eri kohinatyyppejä näkyy kuvan 1 mukaisen järjestelmän ulostulossa ja missä järjestelmän osissa ne syntyvät? d) Mittaat ulostulon kohinaa RMS-yleismittarilla, jonka mittauskaistanleveys on tunnettu. Mitkä tekijät (ulkoiset ja sisäiset) vaikuttavat mitatun kohinan suuruuteen? Diodi Paristo + Vastus Ulostulo Kuva 1. Kohiseva piiri 2. Tarkastellaan kuvan 2 järjestelmää. a) Piirrä kuva ja selitä kuinka kapasitiivinen ja induktiivinen häiriö kytkeytyvät järjestelmään. b) Symmetristä kytkentää ja kierrettyä parikaapelia käyttämällä voidaan usein vaimentaa tehokkaasti häiriöitä. Selitä symmetrisen kytkennän toiminta ja syy miksi se kuvan tapauksessa vaimentaa induktiivisesti ja kapasitiivisesti kytkeytyviä häiriötä. c) Mitä tarkoitetaan symmetrisessä kytkennässä CMRR:llä ja mitkä tekijät voivat vaikuttaa sen suuruuteen? d) Mitä muita menetelmiä on mahdollista käyttää kapasitiivisen tai induktiivisen häiriön vaimentamiseen kuvan 2 mukaisessa järjestelmässä? I H Lähetin Vastaanotin R S U R L U H Verkko: 240V rms MAA I H Kuva 2. Järjestelmä, johon häiriö kytkeytyy 3. Olet tekemässä mittausta, jossa lopputuloksen määräämiseksi on tehtävä useita erillisiä mittauksia (esimerkki: kokonaisvirtaus usean erillisen putken läpi). Nyt mittausta kuvaava yhtälö on y = a1 x1 + a2x a N xn, missä a i ovat tunnettuja vakioita ja x i ovat mittaustuloksina saatuja estimaatteja. Tunnet myös estimaattien standardiepävarmuudet u(x i ). Määritä mittaustuloksen yhdistetty standardi-

36 epävarmuus u c (y). Miten standardiepävarmuus on tulkittavaissa, jos oletetaan tulosten olevan normaalijakautuneita? 4. Digitaalisissa yleismittareissa käytetään yleisesti ns. kaksoisintegroivaa A/Dmuunninta. a) Miksi nimenomaan kaksoisintegroivaa muunninta käytetään yleismittareissa? b) Piirrä muuntimen lohkokaavio. c) Selitä muunnosprosessin kulku. Piirrä myös kuva integraattorin jännitteestä muunnoksen aikana. 5. Kuvissa 3-5 on esitetty kolme erilaista teollisuuden mittauksissa yleisesti käytettyä mitta-anturia. Selitä näiten antureiden toiminta pääpiirteittäin. Mihin näitä antureita käytetään? Liike Kuva 3. Differentiaalimuuntaja. Vaste Heräte Kuva 4. Venymäliuska. Kuva 5. Termopari.

37 S Mittaustekniikan perusteet Y /Merimaa HUOM! Merkitse vastauspaperiin muiden osasuoritustesi suoritusvuodet, mikäli tämä on viimeinen osasuorituksesi. 1. Piirrä periaatekuva oskilloskoopin vaimentavasta mittapäästä. Miksi vaimentavaa mittapäätä käytetään ja miten se toimii? Optimoi 1:10 vaimentavan mittapään komponenttien arvot mahdollisimman tasaista taajuusvastetta varten, kun oskilloskoopin sisääntulon resistanssi on 9 MΩ ja kapasitanssi on 12 pf. 2. Digitaalisissa yleismittareissa käytetään usein ns. kaksoisintegroivaa A/Dmuunninta. a) Miksi nimenomaan integroivaa muunninta käytetään yleismittareissa? b) Piirrä muuntimen lohkokaavio. c) Selitä muunnosprosessin kulku. Piirrä myös kuva integraattorin jännitteestä muunnoksen aikana. 3. Tarkastellaan kuvan 1 järjestelmää. a) Piirrä kuva ja selitä kuinka kapasitiivinen, induktiivinen ja resistiivinen häiriö kytkeytyvät järjestelmään. b) Mitä erilaisia menetelmiä on mahdollista käyttää häiriöiden vaimentamiseen? c) Symmetrinen kytkentä vaimentaa tehokkaasti häiriöitä. Mitä huonoja puolia symmetroinnissa on? I H Lähetin Vastaanotin R S U R L U H Verkko: 240V rms MAA I H Kuva 1. Järjestelmä, johon häiriö kytkeytyy. 4. Määrittele: - Metri - Sekunti - Erottelukyky - Herkkyys - Dynaaminen virhe - Nousuaika Käännä

38 5. Oheisissa kuvissa 2-4 on esitetty erilaisia mittalaitteita ja antureita. Selitä laitteiden toiminta pääpiirteittäin. Mihin näitä laitteita käytetään? E 2 V d E 1 Magneettikela Kuva 2. Magneettinen virtausanturi. Kuva 3. Venymäliuska. Kuva 4. Valomonistinputki.

39 S Mittaustekniikan perusteet Y /Merimaa HUOM! Merkitse vastauspaperiin muiden osasuoritustesi suoritusvuodet, mikäli tämä on viimeinen osasuorituksesi. 1. Oskilloskoopin ottovaimentimena käytetään usen ns. taajuuskorjattua jännitteenjakajaa. Piirrä periaatekuva taajuuskorjatusta jännitteenjakajasta ja selitä sen toimintaperiaate. 2. Määrittele: - Tyypin A mittausepävarmuus - Tyypin B mittausepävarmuus - Erottelukyky - Herkkyys - Dynaaminen virhe - Nousuaika 3. Digitaalisissa yleismittareissa käytetään yleisesti ns. kaksoisintegroivaa A/Dmuunninta. a) Miksi nimenomaan kaksoisintegroivaa muunninta käytetään yleismittareissa? b) Piirrä muuntimen lohkokaavio. c) Selitä muunnosprosessin kulku. Piirrä myös kuva integraattorin jännitteestä muunnoksen aikana. 4. Oheisissa kuvissa 1-3 on esitetty erilaisia mittalaitteita (ja antureita). Mihin näitä käytetään? Selitä myös laitteiden toiminta pääpiirteittäin. Lähde Optiikka Ilmaisin Havaintolinssi Kuva 1. Pyrometri. Liike Vaste Heräte Kuva 2. Venymäliuska. Kuva 3. Differentiaalimuuntaja 5. Mittauksissa käytetään nykyisin yhä enemmän digitaalisia mittalaitteita. Mitä hyötyjä ja haittoja mittauslaitteiden digitalisoinnissa on?