«Электронные измерительные приборы. Выбор приборов по метрологическим характеристикам. Выбор диапазона измерения».

Методические указания на практическое занятие

Занятие проводится под руководством преподавателя в учебной лаборатории или компьютерном классе.

а. Подготовка к практическому занятию

При подготовке к практическому занятию студент используя рекомендованную на лекции литературу, конспекты лекций, результаты лабораторных работ, возможности сети Интернет и другие доступные источники должен:

1.изучить:

- автоматические измерительные приборы;

- аналоговые электронные вольтметры;

- электронные приборы для измерения параметров электрических цепей;

- электронные частотомеры и фазометры;

- электронные ваттметры и счётчики;

- электронно-лучевые осциллографы;

- анализаторы спектра, измерители нелинейных искажений;

- цифровые измерительные приборы(ЦИП). Методы преобразования непрерывных величин в код;

- технические характеристики ЦИП;

- цифровые вольтметры;

- использование ЦИП для измерения переменных напряжений;

- цифровые фазометры и частотомеры с жесткой логикой работы;

- применение микропроцессоров в ЦИП.

2.ознакомиться с методами решения задач используя решённые примеры в задании.

б. Задачи рекомендуемые студентам для решения по вопросам темы практического занятия:

Выбор приборов по метрологическим характеристикам

Если есть возможность выбрать один прибор из нескольких однотипных, подходящих по диапазонам измерений и основным эксплуатационным характеристикам, то, прежде всего, следует руководствоваться метрологическими характеристиками приборов. Возможна априорная оценка погрешностей результатов. Если при­мерное значение измеряемой величины известно, условия проведения эксперимента достаточно определены, то можно и нужно оценить (т.е. определить хотя бы приблизительно) априори (т.е проведения эксперимента) инструментальные ожидаемые погрешности всех сравниваемых приборов.

Существуют два подхода к оценке погрешностей результатов измерений: детерминированный и вероятностный (статистический). Первый подход проще, но дает в общем случае завышенную оценку погрешности, так как в нем рассматривается наихудший случай сочетания всех составляющих. Он иногда так и называется – метод наихудшего случая.

Рассмотрим детерминированный подход на примере выбора прибора для статического измерения действующего значения периодического напряжения электрической сети. Допустим, предполагаемый диапазон измеряемых действующих значений составляет 170...260 В. Номинальная частота измеряемого напряжения равна 50 Гц. Температура в эксперименте предполагается не выше +35⁰ С. Суммарная инструментальная относительная погрешность должна быть обеспечена на уровне не хуже 3...4 %.

Предположим, что в нашем распоряжении есть два цифровых мультиметра: ЦМ 1 и ЦМ 2. Их основные характеристики таковы.

ЦМ 1. Миниатюрный (Росket - Size) простой и дешевый цифро­вой мультиметр с подходящим диапазоном измерений перемен­ных напряжений 0...500 В. Класс точности прибора (предельное значение относительной погрешности δ_П во всем диапазоне рабо­чих температур 0...45 °С) определен как δ_П = ±5,0 %.

ЦМ 2. Цифровой компактный (Наnd - Held) мультиметр с подхо­дящим диапазоном измерения переменных напряжений 0...400 В. Класс точности прибора (предельное значение основной абсолютной погрешности ∆_п) на этом диапазоне:

где X_К - верхнее значение диапазона измерении (в нашем случае, Х_к = 400 В); Х - предполагаемое измеренное значение, в данном случае Х=170...260 В.

Дополнительная погрешность определена как половина основной на каждые 10⁰ С отличия от номинальной температуры 20⁰ С в пределах изменения температуры окружающей среды от 0 до 50⁰ С.

Как видим, классы точности приборов заданы по-разному (графические зависимости значений абсолютных и относительных погрешностей от значения измеряемой величины Х представлены на рис. 6.13 и 6.14). Поэтому для правильного сравнения метрологических возможностей необходимо привести погрешности приборов к единой форме.

Рис. 6.14. Зависимость абсолютной (а) и относительной (б) погрешностей ЦМ 2 от значения измеряемой величины Х

Оценим количественно для обоих приборов значения абсолютных ∆ и относительных δ инструментальных погрешностей предполагаемых результатов измерения напряжения обоими приборами, причем воспользуемся наиболее простым (детерминированным) подходом – методом наихудшего случая, т.е. определим максимально возможные значения погрешностей при заданных условиях.

ЦМ 1. Предельное значение суммарной (т.е. суммы основной и дополнительной составляющих) инструментальной абсолютной погрешности ∆₁, В, для первого прибора:

где Х - измеряемое значение.

Большему значению X (X = 260 В) соответствует большая погрешность:

ЦМ 2. Предельное значение основной абсолютной погрешно­сти ∆_2о, В:

где Х_К — верхнее значение диапазона измерения (в нашем случае Х_К =400В); X — предполагаемое измеренное значение в нашем варианте - диапазон значений Х= 170...260 В.

Меньшему значению измеряемого напряжения Х соответствует погрешность ∆_2о.м.:

Большему значению Х соответствует погрешность ∆_2о.б.:

∆_2о.б.= ±(0,005·400+0,005·260) = ±(2,0+1,3) = ±3,3 В.

Дополнительная абсолютная погрешность ∆_2д определяется для границ диапазона возможных значений Х так:

Суммарные инструментальные абсолютные погрешности ∆_2м (для меньшего значения Х) и ∆_2б (для большего значения Х), равны:

Предельные значения суммарной относительной δ₂ для границ диапазона значений X = (170…260) В составляют, соответственно:

Найденные оценки предельных значений суммарных абсолютных ∆ и относительных δ инструментальных погрешностей сведены в табл. 6.2.

Следует отметить, что реальные погрешности результатов измерений могут иметь любые конкретные значении, не превышающие рассчитанных предельных значений.

Таким образом, можно сделать следующий вывод. В данном примере для эксперимента следует выбрать второй прибор (прибор ЦМ 2), так как он отвечает всем поставленным требованиям. В том числе обеспечивает требуемое значение предельной относительной погрешности (2,9-2,2% при требуемых 3..4%) во всем диапазоне возможных значений измеряемого напряжения и температуры окружающей среды.

Таблица 6.2

Оценки (округленно) суммарных инструментальных погрешностей

Прибор	∆, В	δ, %
ЦМ 1 ЦМ 2	±13 ±4,9/±5,8	±5,0 ±2,9/±2,2

Выбор диапазона измерения

От правильного выбора диапазона измерения в значительной мере зависят достоверность результатов измерения (регистрации) и эффективность работы в эксперименте. Выбор нужного диапазо­на может выполняться вручную (самим пользователем) или авто­матически, благодаря логике работы прибора (микропроцессору). Если ничего не известно о возможном значении измеряемого па­раметра, необходимо, начиная измерять со старшего («грубо») диапазона, и, постепенно переходя на более чувствительный, ис­кать подходящий. Всегда нужно стремиться выбрать такой диапа­зон, на котором показания индикатора содержат максимальное число значащих цифр.

Рассмотрим вопрос выбора диапазона измерения на примере статического измерения действующего значения силы переменно­го (периодического) тока многопредельным ЦМ. Действующее значение тока на интервале экспериментов считаем неизменным. Пренебрегая методическими погрешностями, погрешностями вза­имодействия, субъективными погрешностями, оценим количественно абсолютные ∆ и относительные δ инструментальные погрешности результатов измерения тока на всех диапазонах. При этом воспользуемся наиболее простым — детерминированным подходом(методом наихудшего случая), т.е. определим максимально возможные значения погрешностей при заданных условиях.

Допустим, имеем мультиметр с тремя диапазонами измерения переменного тока: первый диапазон 0... 10 А; второй 0,.. 1,0 А; третий 0…100 мА. Длина шкалы прибора L= 999 точек (т.е. равна трем полным десятичным разрядам) на всех диапазонах. Предположим для простоты, что класс точности прибора на всех диапазонах одинаков и определяется предельным значением основной абсолютной погрешности:

где Х - измеренное значение (результат измерения); Х_к — верхнее значение конкретного диапазона измерения.

Предположим также, что условия эксплуатации прибора в те­чение времени экспериментов нормальные, т.е. имеет место толь­ко основная инструментальная погрешность. (Если бы это было не так, то следовало бы оценить дополнительную погрешность и найти суммарную погрешность.)

Допустим, выполнено три эксперимента – измерены значения тока I_x в исследуемой цепи поочередно на каждом из трех диапазонов и получены следующие результаты (рис. 6.15.):

0,06 А на диапазоне 0…10А;

0,062 А на втором диапазоне – 0…1,0 А;

62,4 мА на третьем диапазоне – 0…100 мА.

Предельное значение основной абсолютной погрешности ∆₁ первого результата измерений может быть найдено по классу точности ЦМ:

Предельные значения основных абсолютных погрешностей ∆₂, ∆₃ второго и третьего результатов измерений могут быть найдены соответственно:

Предельные значения соответствующих основных относитель­ных погрешностей δ₁, δ₂, δ₃ на каждом из трех диапазонов равны, соответственно: δ₁= ±167 %; δ₂ = ±6 %; δ₃ = ±2,1 %.

Очевидно, что в данном случае для измерения такого значения

тока правильнее выбрать третий диапазон (0... 100 мА), так как он

обеспечивает значительно меньшую погрешность, чем на втором и тем более на первом (почти в 80 раз) диапазонах.

Корректная запись окончательного результата измерения I_Х в этом примере (для диапазона 0... 100 мА) выглядит так:

с вероятностью

Строго говоря, необходимо учитывать и другие возможные составляющие общей погрешности результата, например, погрешность взаимодействия, которая может быть вызвана недостаточно малым входным сопротивлением ЦМ в режиме измерителя тока.

Большинство современных моделей ЦМ имеют режимы как ручного, так и автоматического выбора диапазона (АВД) измерения (Autoranging DММ). Режим АВД позволяет оператору не заботится о переключении диапазонов. Особенно это важно, когда о входном измеряемом параметре не известно ничего, или, если измеряемый параметр в процессе наблюдения может сильно меняться (например, в 2...5 раз). Помимо очевидного удобства работы и упрощения использования прибора, режим АВД обеспечивает получение результата с максимально достижимыми точностью и разрешающей способностью. Правда, АВД, как правило, снижает быстродействие прибора.

В простейшем варианте, при длине шкалы, равной целому числу десятичных разрядов, алгоритм АВД таков. Работа прибора начинается с включения самого старшего (грубого) диапазона, на котором выполняется обычное аналого-цифровое преобразование. Затем контроллер (микропроцессор) прибора автоматически анализирует содержимое старшего десятичного разряда полученного результата. Если оно равно нулю, то включается ближайший младший (более чувствительный) диапазон и выполняется новое преобразование. И вновь контроллер определяет содержимое старшего разряда. Если, предположим, он опять равен нулю, то включается следующий младший (еще более чувствительный) диапазон. Таким образом контроллер прибора с АВД в этом алгоритме начиная со старшего диапазона автоматически перебирает поочередно несколько диапазонов (может быть все) и останавливается на том, где результат преобразования будет содержать значащие цифры во всех разрядах(или на самом младшем при входном сигнале малого уровня).

Если сигнал в процессе циклической работы будет заметно увеличиваться, так, что потребуется переход на соседний более старший диапазон, то это произойдет по сигналу перегрузки, который формируется при переполнении счетчика АЦП. Для обеспечения устойчивой работы прибора вблизи границ диапазонов в алгоритме работы предусмотрен обычно некоторый гистерезис (10…20 %) при переходах из одного диапазона в другой.

В качестве примера – аналогии рассмотрим рис. 6.15. В первом измерении (см. рис. 6.15,а) был получен результат «0,06 А», т.е. в самом старшем (левом) разряде результата – 0. После автоматического переключения на следующий младший (более чувствительный) диапазон получен новый результат – «0,062 А» (см. рис. 6.15. б). И в этом случае в самом старшем (левом) разряде результата – 0. Лишь после следующего перехода к еще более чувствительному диапазону получается результат, в котором все цифры значащие: «62,4 мА» (см. рис. 6.15, в). Именно на этом диапазоне будут выполняться все следующие измерения, пока измеряемый параметр не изменится достаточно сильно.

В некоторых моделях ЦМ реализован более логичный алгоритм, при котором контроллер анализирует все разряды результата пре­образования и сразу определяет, на какой диапазон следует пере­ключить ЦМ.

в. Защита выполненного задания у преподавателя ведущего практические занятия.

Задание выполняется в личной рабочей тетради студента ,аккуратно с необходимыми пояснениями и расчётами. Схемы должны быть выполнены в соответствии с требованиями стандартов.

К защите студент должен подготовить ответы на вопросы темы:

1.Что называют автоматическими измерительными приборами?

2.Каков принцип действия автоматического моста для измерения температуры?

3.Чем ограничивается предел измерения электронного вольтметра постоянного напряжения?

4.Чем отличаются амплитудные детекторы открытого и закрытого типа?

5.Чем отличаются схемы электронных омметров для измерения больших и малых сопротивлений?

6.Какой принцип заложен в электронных приборах для измерения индуктивности ёмкости и добротности?

7.Чем достигается линейность шкалы в электронных частотометрах и фазометрах?

8.Какие типы преобразователей используются в электронных ваттметрах?

9.Для чего используются электронно-лучевые осциллографы?

10.Какие имеются способы анализа спектра сигнала?

11.Какими особенностями характеризуются ЦИП?

12.Какая связь между чувствительностью и квантом в ЦИПе?

13.Какие достоинства у цифровых вольтметров?

14.Какими особенностями обладает вольтметр с двухтактным интегрированием?

15.Как влияют преобразователи входной величины на погрешность измерения переменных напряжений ЦВ?

16.Какой вид имеет уравнение шкалы цифрового частотомера?

17.Что позволяет улучшить в ЦИП применение микропроцессоров?

(защита работ студентами осуществляется в соответствии с графиком установленным преподавателем, но не позднее даты официально установленного зачёта по дисциплине деканатом и учебным отделом МГТУ).

Содержание

1.Введение…….………………………….……………………………….……...3

2.Общие методические указания………..……………………………….……..4

3.Задание 1.Электрические измерения. Погрешности измерений,

обработка и представление результатов измерений…………………….……5

4.Задание 2. Электрические измерения. Электромеханические преобразователи…………………………………………………………….…...9

5.Задание 3. Электрические измерения. Измерение тока и напряжения.……………………………………………………………………..13

6.Задание 4. Электрические измерения. Измерение мощности и энергии в электрических цепях……………..……………………………………………..16

7.Задание 5. Электрические измерения. Измерение индуктивности, взаимной индуктивности и ёмкости………………………………………………………20

8.Задание 6. Электрические измерения. Измерение неэлектрических величин…………………………………………………………………………..24

9.Задание 7. Электрические измерения. Полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы……………………………………………………..27

10.Задание 8. Электронные усилители. Усилительный каскад с общим эмиттером……………………………………………………………………….29

11.Задание 9. Электронные усилители. Усилительный каскад с общим коллектором. Усилительный каскад на полевых транзисторах……………..34

12.Задание 10. Электронные усилители. Усилители мощности……………………………………………………………………..…37

13.Задание 11. Электронные усилители. Усилители напряжения с резистивно-ёмкостной связью…...…………………………………………….40

14.Задание 12. Электронные усилители. Обратные связи в усилителях. Усилители постоянного тока. Операционные усилители…………………....43

15.Задание 13. Электронные генераторы…………...……...………………….46

16.Задание 14. Источники вторичного электропитания…………………...…50

17.Задание 15. Цифровые электронные устройства………….......………..…57

18.Задание 16. Микропроцессоры и микропроцессорные системы………....63

19.Задание 17.Электронные измерительные приборы. Выбор по метрологическим характеристикам. Выбор диапазона измерений………….64

47