- •Значение дисциплины "ПиПии" в подготовке инженеров-метрологов. Цели и задачи дисциплины ПиПии, ее связь с другими дисциплинами
- •Основные параметры измерительных преобразователей и их погрешности: систематические и случайные, аддитивные и мультипликативные. Суммирование погрешностей
- •Схемы формирования сигналов. Схемы формирования сигналов генераторных измерительных преобразователей. Условие согласования измерительных преобразователей по току, напряжению, мощности.
- •Основные характеристики магнитных материалов
- •Физические основы преобразования магнитных величин в электрические. Методы и средства преобразования магнитных величин в электрические сигналы.
- •Магнитные измерительные преобразователи: измерительные катушки, схемы включения в измерительную цепь. Веберметры. Метрологические характеристики. Схемы формирования электрических сигналов.
- •Магнитные измерительные преобразователи - измерительные преобразователи, основанные на эффекте Холла. Метрологические характеристики. Схемы формирования электрических сигналов.
- •Магнитные измерительные преобразователи: квантовые магнито-измерительные преобразователи. Метрологические характеристики. Схемы формирования электрических сигналов.
- •Преобразователи магнитной индукции, магнитного потока и напряженности магнитного поля в электрические величины. Преобразователи на основе эффекта Джозефсона. Метрол хар-ки.
- •19.Преобразователи электрических величин в электрические. Шунты, добавочные сопротивления, делители напряжения, аттенюаторы, измерительные трансформаторы тока и напряжения.
- •21. Основные параметры тока и напряжения
- •22 Определение функции преобразования измерительных преобразователей
- •23 Основные типы детекторов
- •24 Классификация и определение измерительных сигналов
- •25 Основные понятия в области цифровых измерительных преобразователей: дискретизация во времени, квантование по уровню, цифровое кодирование. Погрешности дискретизации и квантования сигналов.
- •27. Преобразователи линейных и угловых перемещений в цифровой код. Устройство и принцип действия преобразователей. Схемы включения в электрическую цепь. Коды Грея. Оптоэлектронные пары.
- •Преобразователя частоты в цифровой код
- •29.Измерительные преобразователи отношения частот в цифровой код. Устройство и принцип действия, временные диаграмм. Основные метрологич. Хар-ки и оценка погрешности
- •33. Аналого-цифровые преобразователи, реализующие времяимпульсный метод преобразования. Устройство, принцип действия, основные метрологические характеристики и оценка погрешности преобразования.
- •37. Цифроаналоговые измерительные преобразователи. Устройство и принцип действия, основные метрологические характеристики. Передаточная функция. Оценка погрешности преобразования.
- •38. Преобразователи электрических величин в неэлектрические. Принцип работы, устройство и характеристики магнитоэлектрического измерительного преобразователя.
- •39. Преобразователи электрических величин в неэлектрические. Принцип работы, устройство и характеристики электромагнитных ип.
- •40.Преобразоаватели электрических величин в неэлектрические. Принцип работы, устройство и характеристика электродинамических ип.
- •41. Преобразователи электрических величин в неэлектрические Принцип работы, устройство и характеристики электростатических ип.
- •42.Преобразователи электрических величин в неэлектрические. Электрооптические устройства индикации. Индикаторные устройства на основе светоизлучающих и светоотражающих элементов.
- •43.Преобразователи электрических величин в неэлектрические. Электронно-лучевая трубка. Устр и принц дейст, основные характеристики.
- •44. Регистрация измерительной информации. Графическая запись. Устроиство и принцип действия перьевого самописца с подвижной катушкой.
- •45.Регистрация измерительной информации. Самопишущие электромеханические преобразователи.
- •46. Регистрация измерительной информации. Электронная регистрация измерительной информации и её воспроизведение.
- •47 Регистрация измерительной информации. Магнитная запись и воспроизведение аналоговых сигналов. Устройство и принцип действия измерительных преобразователей.
- •49 Регистр-я измер-ой информации. Магнитная запись и воспроизведение цифровых сигналов. Способ записи с групповым кодированием. Устройство и принцип действия измерительных преобразователей.
- •50 Регистр-я измер-ой информации. Магнитная запись и воспроизведение цифровых сигналов. Способ записи по способу с фазовой модуляцией. Устройство и принцип действия измерительных преобразователей.
- •51 Регистрация измерительной информации. Лазерная запись и воспроизведение цифровых сигналов. Устройство и принцип действия измерительных преобразователей.
- •52 Регистрация измерительной информации. Магнитооптические(мо) носители информации и измерительные преобразователи, используемые для записи и воспроизведения сигналов.
- •54. Электрические информационные сигналы. Основные параметры, классификация. Основные источники погрешностей в системе первичной обработки информации.
- •Нормирование измерительной информации. Нормирующие измерительные преобразователи сигналов измерительной информации.
- •56.Нормирование измерительной информации. Нормирующие измерительные преобразователи сигналов измерительной информации.
- •59. Нормирование измерительной информации. Резонансные схемы включения измерительных преобразователей.
- •61. Нормирование измерительной информации. Линии связи измерительных преобразователей и нормирующих измерительных преобразователей.
- •62. Нормирование измерительной информации. Компенсация температурной погрешности измерительных преобразователей, уменьшение влияния помех в измерительных цепях.
- •63. Преобразование сигналов измерительной информации. Линеаризация функций преобразования. Аналоговые и цифровые методы линеаризации. Технические параметры. Погрешности преобразования.
- •64. Преобразование сигналов измерительной информации. Линеаризация характеристик преобразования. Выбор линейного участка функции преобразования.
- •65. Преобразование сигналов измерительной информации. Линеаризация характеристик преобразования. Дифференциальное включение двух нелинейных преобразователей.
- •66. Преобразование сигналов измерительной информации. Коррекция нелинейности характеристики измерительной схемы с параметрическими пре-образователями.
- •67. Преобразование сигналов измерительной информации. Линеаризация характеристик преобразования. Коррекция погрешности нелинейности обработкой измерительного сигнала.
- •68. Преобразование сигналов измерительной информации. Линеаризация характеристик преобразования. Коррекция результатов преобразования введением поправок.
- •69. Преобразование сигналов измерительной информации. Линеаризация характеристик преобразования разбиением ее на участки.
- •70. Преобразование сигналов измерительной информации. Цифровые методы линеаризации.
- •71. Преобразование сигналов измерительной информации. Бесконтактная передача информации. Структурные схемы передающих и приемных устройств.
- •72. Преобразование сигналов измерительной информации. Временное и частотное мультиплексирование сигналов измерительной информации.
- •73. Обработка сигналов измерительной информации. Вычисление ре-зультатов косвенных, совокупных и совместных измерений.
- •74. Обработка сигналов измерительной информации. Сглаживание данных.
- •75. Обработка сигналов измерительной информации. Статистическая обработка результатов измерений с целью повышения точности измерительных операций.
- •76. Обработка сигналов измерительной информации. Вычисление ста-тистических характеристик измеряемых величин.
- •77. Обработка сигналов измерительной информации. Вычисление ста-тистических характеристик случайных процессов.
- •79. Обработка сигналов измерительной информации. Централизованная и децентрализованная обработка информации.
- •80. Измерение неэлектрических и электрических величин с помощью ип. Вихретоковые ип. Устройство и принцип действия.
- •81. Вихретоковые ип. Фазовый метод выделения измерительной информации.
- •82. Вихретоковые ип. Амплитудный метод выделения измерительной информации.
- •83. Измерение неэлектрических и электрических величин с помощью ип. Электроконтактные преобразователи.
- •84. Измерение неэлектрических и электрических величин с помощью ип. Электронный индикатор контакта.
- •85. Измерение неэлектрических и электрических величин с помощью ип. Фотоэлектрические преобразователи и приборы на их основе.
- •86. Измерение неэлектрических и электрических величин с помощью ип. Преобразователь фотоэлектрический сортировочный.
- •87. Измерение неэлектрических и электрических величин с помощью ип. Линейный растровый фотоэлектрич. Преобразователь. Временные диаграммы перемещения с делением шага на 4.
- •88. Измерение неэлектрических и электрических величин с помощью ип. Круговой растровый фотоэлектрический преобразователь.
- •89. Измерение неэлектрических и электрических величин с помощью ип. Преобразователь линейных перемещений на дифракционных решетках.
- •90. Основные направления автоматизации приборов для измерения геометрических величин. Координатные измерительные машины.
- •91. Основные напрвления автоматизации приборов для измерения геометрических величин. Электронные уровни.
- •92. Измерение неэлектрических и электрических величин с помощью ип. Структурная схема чувствительного элемента электронного уровня.
- •94. Измерение электрических и неэлектрических величин с помощью ип. Кругломеры. Схема автоматического центрирования.
- •95. Основные направления автоматизации приборов для измерения геометрических величин. Фотоэлектрические автоколлиматоры. Схема фотоэл. Автоколлиматора.
- •96. Измерение неэлектрических и электрических величин с помощью измерительных преобразователей. Фотоэлектрические автоколлиматоры. Фотоэлектрический автоколлиматор.
- •97. Основные напрвления автоматизации приборов для измерения геометрических величин. Одночастотный лазерный интерферометр.
- •98. Основные направления автоматизации приборов для измерения геометрических величин. Двухчастотный лазерный интерферометр.
Преобразователи магнитной индукции, магнитного потока и напряженности магнитного поля в электрические величины. Преобразователи на основе эффекта Джозефсона. Метрол хар-ки.
Сверхпроводниковые магнитоизмерительные преобразователи используются для преобразования параметров постоянных и переменных полей в электрический ток или напряжение, частота которых пропорциональна изменению измеряемой магнитной величины - Ф или В. При исследовании сверхпроводимости было установлено, что внутри сверхпроводящего кольца происходит квантование магнитного потока, заключающееся в том, что магнитный поток может принимать значения, кратные кванту магнитного потока
, Вб, (2.36)
где h – постоянная Планка, е – заряд электрона.
Два сверхпроводника, разделенные тонким слоем диэлектрика, получили название джозефсоновского перехода, через который может протекать ток I без падения напряжения на диэлектрике. Если же ток, протекающий через переход, превысит некоторое критическое значение IС, то на переходе возникнет падение напряжения U и в переходе потечет ток с частотой
. (2.37)
Сверхпроводниковые магнитоизмерительные преобразователи представляют собой сверхпроводящее кольцо с одним или двумя джозефсоновскими переходами, называемое сверхпроводящим квантовым интерферометром - СКВИД. Суммарный критический ток Iс через переходы СКВИД сильно зависит от внешнего магнитного поля. Он является периодической функцией внешнего магнитного потока Ф, пронизывающего площадь кольца. Период изменения тока Iс равен кванту магнитного потока Ф0, и выражение для IС можно записать:
. (2.38)
СКВИД является преобразователем изменений магнитного потока или индукции в количество периодических изменений напряжения U, снимаемого с преобразователя.
С верхпроводниковые пр-ли испол-ся для преобразования малых изменений постоянных и переменных магнитных полей в электрический сигнал. Для этого они включаются в измерительные цепи непосредственной оценки и сравнения. В первом случае (рисунок 2.9,а) вторичным преобразователем сверхпроводникового преобразователя является счетчик, определяющий число периодических изменений выходного напряжения U сверхпроводникового преобразователя (рисунок 2.9,б). Показания счетчика оказываются прямо пропорциональными значению магнитного потока Ф, воздействующего на преобразователь.
Рисунок 2.9 – Измерение магнитного потока с помощью СКИ методом
непосредственной оценки
Упрощенная структурная схема тесламетра со сверхпроводниковым преобразователем, реализующего нулевой метод сравнения, представлена на рисунке 2.10. Сверпроводниковый преобразователь, как и в первом случае, представляющий собой СКВИД с двумя переходами Джозефсона, помещается в измеряемом магнитном поле, вектор индукции которого должен быть направлен перпендикулярно плоскости СКВИД (вдоль его оси). Через преобразователь протекает ток от источника тока, значение которого равно или несколько превосходит критическое значение тока IC, определяемое выражением (2.38). Одновременно на преобразователь воздействует синусоидальное модулирующее магнитное поле с частотой fмод, создаваемое компенсирующей катушкой К, намотанной на преобразователь (модулирующее поле при этом совпадает по направлению с измеряемым).
В ыходное напряжение СКВИД через трансформатор Тр поступает на усилитель, а затем на синхронный детектор (СД), где детектируется на частоте fмод. Модулирующий генератор (МГ) осуществляет питание катушки К и подает управляющее напряжение на СД. Выходной сигнал СД подается на интегрирующий усилитель постоянного тока ИУПТ, интегрируется и через сопротивление обратной связи RОС подается на компенсирующую катушку К. Катушка компенсирует изменение индукции измеряемого поля относительно рабочей точки, которая обычно выбирается на склоне кривой U = f(Ф). По значению тока IК и постоянной катушки К можно определить значение индукции, создаваемой К и необходимой для компенсации изменений измеряемого поля. Информация об изменении измеряемого магнитного поля может быть поэтому получена путем измерения падения напряжения, создаваемого на RОС током IК, протекающим через RОС и К. Измерительное устройство ИУ, измеряющее URос, может представлять собой аналоговый или цифровой вольтметр, проградуированный в единицах магнитной индукции.
Рисунок 2.10 - Измерение магнитного потока с помощью СКИ
методом сравнения
Преобразователи электрических величин в электрические. Измерительные преобразователи рода тока - выпрямительные преобразователи переменного тока в постоянный. Устройство и принцип действия. Функция преобразования. Основные параметры.
Выпрямительные приборы. Выпрямительными называют электроизмерительные приборы, в которых магнитоэлектрический преобразователь используется в сочетании с преобразователем переменного электрического тока в постоянный, представляющим собой полупроводниковый выпрямитель. В зависимости от схемы самого выпрямителя и его соединения с преобразователем различают приборы с однополупериодным (рисунок 2.9,а) и двухполупериодным выпрямлением (рисунок 2.9,б,в).
В схемах с однополупериодным выпрямлением в течение одного полупериода переменного тока открыт диод V1 и ток протекает через преобразователь, а во время второго полупериода ток проходит через открытый диод V2 и резистор R2, предназначенные для выравнивания входных сопротивлений прибора в оба полупериода и защиты диода V1 от пробоя при обратном для него полупериоде (для вольтметров).
-
а
б
в
Рисунок 2.9 – Схемы включения измерительных преобразователей
в выпрямительные приборы
В схемах с двухполупериодным выпрямлением ток через преобразователь протекает во время обоих полупериодов в одном и том же направлении (рисунок 2.9,б), в результате чего чувствительность прибора возрастает вдвое. На практике двухполупериодные мостовые выпрямительные схемы выполняют лишь на двух диодах, например, V1, V2 (рисунок 2.9,в) или V1, V3, а два других заменяют резисторами. Это уменьшает температурную погрешность, вызванную нестабильностью характеристик диодов, однако в таком случае преобразователь должен иметь более высокую чувствительность, поскольку через него проходит лишь часть тока. При измерении с помощью выпрямительного амперметра переменного тока i = Im sin t на подвижную часть преобразователя будет действовать вращающий момент, определяемый мгновенными значениями пульсирующего тока iп = Im |sin t|, протекающего через катушку преобразователя: МСР(t) = Bswiп.
Однако, вследствие инерции подвижной части отклонение ее будет пропорционально среднему за период значению вращающего момента МВР, и в результате показание прибора с однополупериодном выпрямлением можно записать в виде
, (2.23)
где SIB = - чувствительность выпрямительного амперметра;
Т, IСР - период и средневыпрямленное значение измеряемого тока I~.
Для выпрямительных амперметров с двухполупериодным выпрямлением показание запишется следующим образом α = SIB IСР. (2.24)
Из выражений (2.23, 2.24) следует, что показания выпрямительных амперметров пропорциональны средневыпрямленному значению IСР измеряемого тока. Однако при измерениях в цепях переменного тока чаще определяют среднеквадратическое значение тока I, которое связано со средневыпрямленным значением ICР через коэффициент формы КФ: . (2.25)
Показание амперметра с двухполупериодным выпрямлением в среднеквадратических значениях выразится формулой
. (2.26)
Основными источниками погрешностей выпрямительных амперметров являются: зависимость коэффициента выпрямления диодов от температуры, нелинейность их характеристик, влияние паразитных реактивностей диодов, влияние формы кривой измеряемого тока. Для снижения погрешностей обычно используются различные компенсирующие измерительные цепи. Однако практически погрешность измерения тока не удается сделать меньше ±1,5 %. Диапазон рабочих частот ограничивается частотами 500…2000 Гц (главным образом из-за шунтирующего действия емкости диодов), а для приборов с частотной коррекцией расширяется до нескольких десятков килогерц. При этом погрешность возрастает до ±5 %.
О сновными достоинствами выпрямительных амперметров являются их высокая чувствительность и малое собственное потребление мощности от объекта измерения.
Выпрямительные вольтметры образуются на базе амперметров путем включения последовательно с ними добавочного резистора RД с большим сопротивлением (рисунок 2.10).
Под воздействием измеряемого напряжения U~ в цепи, состоящей из выпрямительного амперметра и добавочного сопротивления RД, будет протекать ток
(2.27) где RA – сопр-ие выпр-ого ам-ра.
Рисунок 2.10 – Выпрямительный вольтметр на базе магнитоэлектрического преобразователя
Используя формулы (2.26, 2.27), можно получить уравнение преобразования для выпрямительного вольтметра, связывающее показание прибора α с измеряемым напряжением U~. , (2.28)
где - чувствительность выпрямительного вольтметра.
Преобразователи электрических величин в электрические. Измерительные преобразователи рода тока - термоэлектрические преобразователи переменного тока в постоянный. Устройство и принцип действия. Функция преобразования. Основные параметры.
Термоэлектрические приборы. Соединение одного или нескольких термоэлектрических преобразователей переменного тока в постоянный с магнитоэлектрическим измерительным преобразователем образует термоэлектрический прибор.
Термоэлектрический преобразователь представляет собой сочетание нагревателя АВ, по которому протекает измеряемый переменный ток I~, с одной или несколькими термопарами. Такие преобразователи могут быть контактными и бесконтактными. Контактные нагреватели (рисунок 2.7,а,б) имеют с термопарой как тепловой, так и гальванический контакт. Бесконтактные преобразователи не имеют гальванической связи с термопарой (рисунок 2.7,в,г), а тепловой контакт обеспечивается за счет твердого диэлектрика (часто для этой цели используется капля стекла).
В контактном термопреобразователе (рисунок 2.7,а) к середине нагревателя приваривается "рабочий спай" С термопары. "Термокрест", показанный на рисунке 2.7,б, также представляет собой контактный термопреобразователь, в котором нагреватель образован самими проводниками термопары. Недостатком "термокреста" является зависимость термоЭДС от направления протекания тока, так как при протекании тока в различных направлениях из-за явления Пельтье происходит выделение или поглощение тепла в рабочем спае. Указанный недостаток обусловливает различие градуировок прибора на постоянном и переменном токе.
В бесконтактных преобразователях отсутствие гальванической связи между нагревателем и термопарой исключает ответвление измеряемого тока I~ в цепь преобразователя, что позволяет повысить точность измерения, однако чувствительность таких преобразователей ниже, чем контактных из-за худших условий теплопередачи от нагревателя к термопаре.
-
а
б
-
в
г
Рисунок 2.7 – Схемы амперметров переменного тока с магнитоэлектрическими и термоэлектрическими преобразователями
Повысить чувствительность бесконтактных преобразователей можно путем последовательного соединения термопар в так называемые термобатареи (рисунок 2.7,г). ТермоЭДС на выходе такого преобразователя будет в n раз больше, чем у преобразователя с одной термопарой (рисунок 2.7,в).
ТермоЭДС, возникающая на свободных ("холодных") концах M,N термопары и воздействующая на магнитоэлектрический преобразователь, пропорциональна разности температур рабочих С и свободных концов термопары. Если учесть, что нагрев рабочих концов термопары обусловлен тепловым действием измеряемого тока I~, то значение термоЭДС ЕТ можно записать в виде ЕТ = kТ , (2.18)
где kT - коэффициент, зависящий от свойств преобразователя.
Под воздействием ЕT через магнитоэлектрический преобразователь будет протекать ток I=, равный
, (2.19)
где Ri и RT - соответственно внутреннее сопротивление преобразователя и термопары.
показание прибора запишется в виде , (2.20)
где - чувствительность термоэлектрического амперметра.
В реальных термоэлектрических амперметрах последовательно с магнитоэлектрическим преобразователем включается подгоночный резистор для регулировки чувствительности прибора при смене термопреобразователей. Выполняется резистор из манганина и одновременно служит как термокомпенсирующий элемент для снижения температурной погрешности.
Т ермоэлектрические вольтметры выполняются на базе амперметров путем включения последовательно с ними добавочного резистора RД (рисунок 2.8), имеющего большое сопротивление. Под воздействием измеряемого напряжения U~ в цепи нагревателя АВ и добавочного резистора RД будет протекать ток I~, равный
, (2.21)
где RH - сопротивление нагревателя.
Рисунок 1.14 – Схема вольтметра переменного тока с магнитоэлектрическим
и термоэлектрическим преобразователями
Используя формулы (2.15 – 2.17), с учетом (2.18) можно получить уравнение преобразования для термоэлектрического вольтметра, связывающее показание прибора c измеряемым напряжением U~:
, (2.22)
где - чувствительность термоэлектрического вольтметра.