`ВвТЭ Лекции

Лекции 2 для РЭС. Средства измерения.

Классификация средств измерений

Измерения проводят с помощью средств измерений – технических средств, имеющих нормированные метрологические характеристики.

По функциональному назначению средства измерений подразделяются следующим образом:

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Например, калибр-диаметр - однозначная мера, набор гирь – набор мер, микрометр – многозначная мера.

Измерительный преобразователь - средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но неподдающийся непосредственному восприятию наблюдателем.

Измерительный преобразователь, на который подается измеряемая величина, называется первичным измерительным преобразователем. Измерительный преобразователь, предназначенный для изменения размера величины в заданное число раз, называют масштабным измерительным преобразовате_лем.

Измерительные преобразователи в зависимости от вида (аналоговый, кодированный) входного и выходного сигнала делятся на три группы:

^{− аналоговые измерительные преобразователи, у которых на входе} и на выходе аналоговые сигналы;

− аналого-цифровые измерительные преобразователи, имеющие на входе аналоговый, а на выходе – кодированный сигнал;

^{− цифро-аналоговые измерительные преобразователи, у которых}

на входе кодированный сигнал, а на выходе – аналоговый.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительный прибор, показания которого являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины, называется аналоговым измерительным прибором.

Измерительный прибор, автоматически вырабатывающий дискретный (кодированный) сигнал измерительной информации и дающий показания в цифровой форме, называют цифровым измерительным прибором.

В зависимости от того, допускают ли измерительные приборы только считывание показаний или допускают считывание и регистрацию или только регистрацию показаний, они относятся либо к показывающим, либо к регистрирующим измерительным приборам.

Информационно-измерительные системы – совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки с целью представления потребителю (в том числе, ввода в АСУ) в требуемом виде либо автоматического осуществления логических функций контроля, диагностирования, идентификации (т.е. определения).

Информационно-измерительные системы применяют для испытаний крупных объектов, т.е. когда необходимо измерять большое число физических величин, производить обработку измерительной информации, воздействовать на объект в процессе испытаний и т.д.

Разновидность информационно-измерительных систем - информационно-вычислительные комплексы, которые представляют собой автоматизированные средства измерений и обработки измерительной информации. Их отличительная черта – наличие в комплексе свободно программируемой ЭВМ, которая используется не только для обработки результатов измерения, но и для управления самим процессом измерения.

Для выполнения массовых технологических измерений применяют измерительные установки.

Измерительная установка – это совокупность функционально и конструктивно объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенных для рациональной организации измерений. Электроизмерительные установки используют, например, для градуировки и поверки электроизмерительных приборов.

По метрологическим характеристикам все средства измерений делятся на образцовые и рабочие.

Образцовые средства измерений предназначены для поверки с их помощью других (рабочих) средств измерений.

Рабочие средства измерений используют для всех измерений, кроме измерений, связанных с поверкой, т.е. передачей размера единиц величин.

НЕКОТОРЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИ.

Диапазон измерений – область между наибольшим и наименьшим значениями, которые могут быть измерены с нормированной погрешностью

Нормирующее значение:

1. конечное значение диапазона измерений – при равномерной шкале и нулевой отметке на краю диапазона

2. сумма модулей пределов измерений – если 0 внутри диапазона

3. длина шкалы в единицах длины – если шкала существенно неравномерна

Чувствительность S – производная от выходной величины l по входной x:

S=dl/dx

Если чувствительность постоянна во всем диапазоне,

S=l/x ( например, делений/вольт)

Постоянная прибора C= 1/S (например, В/дел.)

Мощность, потребляемая из измеряемой цепи

Частота измеряемого тока ( напряжения).

Время успокоения - интервал времени от подключения прибора до момента, когда

отклонение 1% длины шкалы. ВУ должно быть 4с.

Вариация показания –наибольшая разность показания при одном и том же значении измеряемой величины  2.

2.ПОГРЕШНОСТИ СИ.

Основная – Погрепшность при нормальных (допустимых для данного СИ) условиях.

Дополнительная – Погрешность, вызванная отклонением условий от нормальных.

Абсолютная погрешность  - это разность между показанием СИ х_п и истинным значением измеряемой

величины х: = х - х_п

Относительная погрешность  - это отношение абсолютной погрешности к истинному (действительному) значению:

Приведенная погрешность  - это отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению Х_N:

Погрешность может быть аддитивная:  не зависит от х

мультипликативная -  прямо пропорциональна х, так что

в общем случае: аддитивная мультипликативная

Погрешность СИ характеризуется его классом точности.

Класс точности – обобщенная характеристика прибора, определяемая пределами допускаемых погрешностей

Стандарт «Классы точности средств измерений» предусматривает 4 разновидности классов точности, соответственно, 4 формы выражения погрешностей:

1.  (например, 1,5):

Это значит, что во всем диапазоне максимальная абсолютная погрешность, = X_н/100.

 называется «предел допускаемой приведенной основной погрешности».

Пример. Амперметр с пределом измерения 100А, на циферблате которого указано 1,5 имеет во всем диапазоне абсолютную погрешность не более 1,5 А.

2 . .  (например, 1.5). То же, что п.1, но  и Х_н выражаются в единицах длины шкалы. Применяется для приборов с существенно неравномерной шкалой.

Пример. Мегоомметр с пределом измерения 100 МОм, длина части шкалы, соответствующая диапазону измерений, 100мм. На циферблате указано 1,5 . Это значит, что во всем диапазоне абсолютная П не более 1,5 мм.

3.  , например, 1,5 Это значит, что во всем диапазоне допускается максимальная относительная П : =  /x.

 называется «предел допускаемой относительной основной погрешности»,

х - показание прибора.

Пример. Счетчик энергии, на циферблате которого указано 1,5 , имеет во всем диапазоне относительную погрешность не более 1,5 %. Абсолютная погрешность при показании, например,

1000 кВт-ч составляет 15 кВт-ч.

4. c/d, например, 1,5/1,0. Это значит, что во всем диапазоне допускаются максимальные значения и относительной  и абсолютной x погрешностей.

=[c+d(X_н/x-1)]

Пример. Амперметр с пределом измерения 100А и классом точности 1,5/1,0 показывает 10А. Относительная погрешность измерения

=0,01[1,5+1(100/10-1)]= 0,1; абсолютная = х = 1А.

8 ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

8.1.Физические основы работы

Структурная схема электромеханического прибора:

Измерительный механизм имеет:

◙ Неподвижную часть; ◙ подвижную часть. Для выполнения измерений необходимо создать: ◙ вращающий момент; ◙ противодействующий момент.

Назначение ИМ - преобразовать входную величину (ток, напряжение, мощность) в численное значение (число делений, число мм)

Принцип действия - Измерительная цепь преобразует измеряемую величину (например, напряжение) в величину, создающую вращающий момент (например, ток).

Измерительный механизм преобразует этот ток в момент вращающий, зависящий от измеряемой величины, поворачивающий указатель (стрелку, луч света).

Измерительный механизм создает (например, пружиной) момент противодействия, зависящий от угла поворота.

Установившееся положение указателя наступит, когда моменты вращающий и противодействия равны. Оно оценивается количественно отсчетным устройством (шкалой

Математическая модель: перемещение подвижной части ИМ состоит в ее повороте на угол , пропорциональный измеряемой величине:

Вращающий момент: М_В =М(х): ,

Где - энергия электромагнитного поля, сосредоточенная в измерительном механизме.

Момент противодействия: ,

Где - удельный противодействующий момент, зависящий от свойств упругости элемента.

Установившееся положение указателя наступит, когда М_В=- М_ПР  М(х)= М()

Таким образом, уравнение преобразования электромеханических приборов в общем виде может быть представлено выражением:

.

По способу создания вращающего момента различают системы электромеханических приборов:

1. магнитоэлектрическая (МЭ);

2. электромагнитная (ЭМ);

3. электродинамическая (ЭД);

4. электростатическая (ЭС);

5. индукционная (И).

По способу создания противодействующего момента:

1. с механическим противодействующим моментом (спиральные пружины, упругие растяжки, подвес)

2. с электрическим противодействующим моментом (логометры)

Уравнение движения подвижной части прибора:

М_вр = М_и + М_у + М_пр ,

– момент сил инерции;

– момент успокоения; .

Характер движения зависит от степени успокоения

• при  < 1 – колебательное движение (кривая 1);

• при  > 1 –апериодическое движение (кривая 3);

• при  = 1 –ускоренное (критическое) движение (2).

Частота собственных колебаний подвижной части:

Для электромеханических приборов f₀ < 10 Гц и характерно колебательное движение. Для быстрого затухания колебаний – магнитоиндукционные успокоители.

Подвижная часть реагирует:

при f_X > f₀ – на среднее значение вращающего момента, при f_X < f₀ – на мгновенное значение

8.2.Магнитоэлектрические приборы

Принцип действия основан на взаимодействии тока катушки с магнитным полем постоянного магнита.

Н азначение – точное измерение постоянных величин

Принцип действия – рамка с током отклоняется моментом сил взаимодействия измеряемого тока и магнитного потока. Момент противодействующий создается пружиной.

Конструктивные исполнения:

1. с подвижной катушкой и неподвижным магнитом;

2. с подвижным магнитом и неподвижной катушкой.

с внешним магнитом с внутренним магнитом

Рис.1. Механизм магнитоэлектрической системы.

(1 - Рамка с током, вращающаяся вокруг оси в равномерном магнитном поле).

Математическая модель (при измерении постоянного тока I).

Полная электромагнитная энергия, запасенная в механизме, равна:

Здесь первое слагаемое энергия поля постоянного магнита;

(L – индуктивность подвижной катушки; =Bsn - потокосцепление постоянного магнита с катушкой (проводниками с протекающим током)).

Вращающий момент М_вр=BsnI = . = BsnI/c =SI.

Здесь В – индукция, Вс/м²; s-площадь рамки, м²; n –число витков; I -ток в рамке, А. c – упругость, Нм/град; S – чувствительность, град/A.

– уравнение преобразования

магнитоэлектрических приборов

Свойства:

• высокая точность, в ысокая чувствительность; малое потребление энергии; равномерная шкала (уникальность).

• непригодность для измерения переменного тока, малая перегрузочная способность.

Область применения: А , V , Г , Ω в цепях постоянного тока.

Расширение пределов измерения: по току – шунты; по напряжению – добавочные сопротивления, делители.

Математическая модель (при измерении переменного тока i(t))

Если измеряемый ток является переменным = , то и вращающий момент будет изменяться по такому же закону, т.е. будет функцией времени .

Магнитоэлектрические механизмы обладают большим моментом инерции, поэтому на сравнительно высоких частотах (более 10-20 Гц) при подаче на вход переменного синусоидального тока мы получим для вращающего момента его среднее значение за период, т.е. интегральное значение

.

Следовательно, при измерении синусоидальных токов показания прибора будет нулевым. В случае измерения сигнала сложной формы с постоянной составляющей отличной от нуля, показание прибора будет равно его среднему значению

.

Можно сделать вывод, что приборы магнитоэлектрической системы являются интеграторами (уникальность). Это свойство используется, например, при построении выпрямительных электромеханических приборов

В ыпрямительный прибор – магнитоэлектрический механизм с полупроводниковым выпрямителем.

Принцип действия: через прибор проходит выпрямленный ток, пропорциональный среднему значению (постоянной составляющей) переменного тока.

Математическая модель

-для двухполупериодного выпрямления, здесь - коэф. формы

синусоидального сигнала

-для однополупериодного выпрямления

– уравнение преобразования

k_ф – коэффициент формы тока, k_{ф sin}= 1,11.

С войства:

• высокая чувствительность; малое потребление;

• низкая точность; малая перегрузочная способность; влияние формы тока.

Область применения: комбинированные приборы для измерения постоянных и синусоидальных U и I, а также R.