1. Средства измерения (СИ) - технические средства, предназначенные для обеспечения инженерного и метрологического эксперимента. Все многообразие средств измерений

(СИ) делится на пять основных классов:

1. Меры.

2. Измерительные преобразователи.

3. Измерительные приборы.

4. Измерительные установки.

5. Информационно-измерительные системы.

Мера - средство измерения для воспроизведения физической величины данной природы и размера

Измерительные преобразователи - СИ , для преобразования физической величины одной природы и размера в физическую величину другой природы и размера

Измерительные приборы - это СИ, для представления некоторого входного сигнала измерительной информации в выходной сигнал, удобный для наблюдения экспериментатора

Измерительные установки - это СИ, которое представляет собой совокупность измеряемых преобразователей, приборов и вспомогательных устройств, предназначенных для получения информации, в форме удобной для экспериментатора, об измерительных сигналах, подаваемых на его вход.

Информационно-измерительные системы -это СИ, предназначенные для получения преобразования, обработки и передачи на расстояние сигналов измерительной информации от множества испытательных сигналов

Статические свойства СИ проявляются в статическом режиме работы ,т.е. когда выходной сигнал можно считать постоянным в ходе измерений.Динамические свойства проявляются в динамике работы СИ, при этом выходной сигнал нельзя считать постоянным в ходе измерений.

2. Функция преобразования – функциональная зависимость между информативными параметрами входного и выходного сигнала СИ. Чувствительность СИ – это отношение приращения выходного сигнала ΔY к приращению входного сигнала ΔХ. определяется по формуле s=dY/dX Деление шкалы – это участки шкалы, на которые делят шкалу с помощью отметок шкалы.

Постоянная прибора–величина, обратная чувствительности: C=1/S

Порог чувствительности СИ – это наименьшее изменение входной величины, различаемое на выходе данного СИ.

Диапазон измерений – это область значений измеряемой величины, для которых нормированы допускаемые погрешности.

Цена деления шкалы – это разность значений величин соответствующих двум соседним отметкам шкалы.

Входное полное сопротивление СИ – это комплексная величина, влияющая на режим работы объекта исследования.

Выходное полное сопротивление СИ – это комплексная величина , характеризующая влияние нагрузки на работу СИ.

3. Абсолютная погрешность СИ - это отклонение измеряемой величины от её действительного значения Δ=X-Xд ,где Хд и Х – действительное и измеренное значение величины.

Относительная погрешность СИ - это отношение абсолютной погрешности к измеренной величине б=Δ/X*100%

Относительная приведенная погрешность- это отношение абсолютной погрешности к нормируемому значению измеряемой величины У=Δ/Xн*100%, где Xн – нормирующее значение измеряемой величины X.

Погрешности СИ зависят от внешних условий поэтому различаются основные и дополнительные погрешности.

Основные погрешности – это погрешности, которые возникают при условиях окружающей среды, принятых за нормальные (НУ).Дополнительная погрешность – это погрешность, которая возникает при отклонении условий окружающей среды от НУ.

Вариация выходного сигнала – это разность между значениями информативного параметра выходного сигнала, соответствующая одному и тому же действительному значению входной величины, при медленном изменении ее вверх или вниз при подходе к выбранному значению входной величины.

Аддитивная погрешность - это погрешность, абсолютное значение которой не зависит от измеряемой величины.

Мультипликативная погрешность - это погрешность, абсолютное значение которой пропорционально изменению входной величины. Мультипликативная погрешность является погрешностью чувствительности.

4. Средство измерений (или комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и (или) хранение единицы величины с целью передачи ее размера другим средствам измерений и официально утвержденное в установленном порядке, называется эталоном единицы физической величины

Образцовыми называются меры, служащие для поверки по ним других средств измерений и утвержденные в качестве образцовых.

Рабочие меры предназначены для целей измерения во всех областях народного хозяйства

При измерении электрических величин используют образцовые и рабочие меры ЭДС, сопротивления, индуктивности, взаимной индуктивности, емкости.

мерами ЭДС служат нормальные элементы (НЭ), которые представляют собой стабильные гальванические элементы с точно известными значениями ЭДС. НЭ подразделяются на два типа — насыщенные и ненасыщенные, в зависимости от того, насыщенный или ненасыщенный водный раствор сернокислого кадмия используется в них в качестве электролита. Насыщенные НЭ стабильнее ненасыщенных.

могут иметь один из следующих классов точности: 0,0002; 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005

Внутреннее сопротивление насыщенных НЭ составляет 500—2000 Ом

5. Мерами сопротивления являются катушки сопротивления. Для их изготовления используются ленты или проволока из манганина, который имеет большое удельное сопротивление, малый температурный коэффициент и малую термоЭДС в паре с медью, а также хорошо противостоит окислению. Номинальные значения сопротивления катушек должны выбираться из ряда 10n Ом, где п = -5, -4, . . . , + 15, +16. катушки сопротивления имеют один из следующих классов точности: 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1 и 0,2.

При работе в цепях переменного тока может существенную (и нежелательную) роль играть реактивность катушки, обусловленная ее индуктивностью L и собственной емкостью С. При этом полное сопротивление катушки приближенно дается формулой Z = R + jω(L0 - R2C0).

Отношение τ = (Z0 - R2C0)/R характеризует степень реактивности катушки.

Величина τ называется постоянной времени. Ее значение обычно лежит в пределах 10-8 –10-5 с. Чтобы уменьшить τ, применяют специальные виды намотки. Так, например, катушка наматывается бифилярно на плоскую диэлектрическую пластину.

В лабораторных условиях в качестве мер сопротивления используются также штепсельные и рычажные магазины сопротивлений. В их паспортах указываются допустимые значения мощности и тока, а также частотный диапазон.

6. Мерами индуктивности служат катушки и магазины индуктивности. Катушки выполняются из тонкой медной изолированной проволоки, намотанной на пластмассовый или фарфоровый каркас. Они имеют следующие номинальные значения индуктивности: 0,0001; 0,001; 0,01; 0,1; 1 Гн и классы точности 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,5; 1. Магазины индуктивности состоят из набора катушек индуктивности, образующих декады. Катушки взаимной индуктивности имеют две изолированные обмотки с коэффициентам взаимной индуктивности 1 или 10 мГн. Меры индуктивности и взаимной индуктивности предназначены для работы в цепях переменного тока различных частот (до 10 000 Гц). Требования к мерам индуктивности указаны в ГОСТ 21175-75.

7. Меры емкости выполняются в виде воздушных или слюдяных конденсаторов, а также магазинов емкостей. Номинальные значения емкостей воздушных конденсаторов лежат в пределах от 50 до 4000 пФ, слюдяные конденсаторы имеют большие значения емкостей (до 1 мкФ). Тангенс угла потерь мер емкости составляет 10-3 – 10-4. Согласно ГОСТ 6746-75 для мер емкости установлены следующие классы точности: 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1.

8. Масштабным называют ИП, для изменения величины в заданное число раз. Это шунты, делители напряжения, измерительные усилители, измерительные трансформаторы тока и напряжения.

Для уменьшения силы тока в определенное число раз применяют шунты. такая задача возникает когда диапазон показаний амперметра меньше диапазона изменения измеряемого тока.

Шунт это резистор, включаемый параллельно СИ

Rш = R/(n-1), где R – сопротивление средства измерений; n – коэффициент шунтирования, т.е. n = I1/I2 ток I2 в n раз меньше тока I1.

Для уменьшения напряжения применяют делители напряжения, которые выполняются на элементах, имеющих чисто активное сопротивление, емкостное или индуктивное сопротивление.

Для усиления сигналов пост-го и пер-го тока, т. е. для расширения пределов измерения в сторону малых сигналов, применяют измерительные усилители. По диапазону частот усиливаемых сигналов ИУ бывают для пост-го тока и напр-я, низкочастотными

(20 Гц –200 кГц), высокочастотными (до 250 МГц) и селективными, усиливающими сигналы в узкой полосе частот. ИУ выполняют с нормированной погрешностью коэффициента передачи.

Измерительные трансформаторы тока и напряжения используют как преобр-ли больших пер-х токов и напр-й в относительно малые токи и напр-я, допустимые для измерений приборами с небольшими стандартными пределами измерения (например, 5А, 100В). безопасность для персонала, обслуживающего приборы, так как приборы при этом включаются в заземляемую цепь низкого напряжения

Измерительный преобразователь – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, преобразования, обработки или хранения, но не воспринимаемой наблюдателем. ИП , к которому подводится измеряемая величина,первичный измерительный преобразовател. ИП,для изменения размера величины в заданное число раз,масштабный измерительный преобразователь.

В зависимости от рода измеряемой величины на входе ИП для электрических измерений делят на пр-ли электрических величин и пр-ли не электрических величин. Примерами пр-лей электрических величин в электрические являются делители напряжения, усилители напряжения и др. Преобразователи не электрических величин в электрические применяют при электрических измерениях неэлектрических величин. (Терморезисторы, для измерения температуры)

9. Преобразователи магнитных полей

Основными величинами, характеризующими магнитное поле, являются магнитный поток, магнитная индукция и напряженность магнитного поля. Магнитные материалы оценивают по их характеристикам и параметрам – статическим и динамическим.

Измеряемые магнитные величины преобразуются в электрические, более удобные для измерения. Преоб-ли магнитных величин в электрические строятся на основе явлении электромагнитной индукции, ядерного магнитного резонанса, гальваномагнитного преобр-я и некоторых других.

Измерительные катушки

Если измеряемый магнитный поток Ф сцеплен с измерительной катушкой, то в последней возникает ЭДС е=-Nкdф/dt, Nк-число витков

измерительная катушка выполняет роль преобразователя магнитной величины в электрическую. Выбор формы, конструкции и размеров зависит от параметров магнитного поля и условий его измерения требуется, чтобы витки измерительной катушки были сцеплены лишь с измеряемым магнитным потоком.

изменение потока за время можно определить, проинтегрировав ЭДС в указанном временном интервале. Интегрирование можно осуществить различными способами. В магнитных измерениях для этих целей обычно используют баллистический гальванометр или веберметр.

10. Гальваномагнитные - преобразователи, использующие гальваномагнитные явления, которые возникают при помещении некоторых материалов в магнитное поле. К таким явлениям, в частности, относятся эффекты Холла и Гаусса. Эффект Холла заключается в возникновении ЭДС на боковых гранях помещенной в магнитное поле полупроводниковой пластинки, если по ней протекает ток. Принцип построения прибора для измерения магнитной индукции с преобразователем Холла: Через полупроводниковую пластинку, плоскость которой расположена перпендикулярно магнитному полю В, от грани а к грани b протекает постоянный ток I. На гранях с и d возникает ЭДС

Ex=(RxI/h)B где Rx – постоянная Холла, зависящая от материала пластинки; h –толщина пластинки. Достоинствами приборов на основе эффекта Холла является возможность измерения как постоянных, так и переменных магнитных полей, хорошее пространственное разрешение благодаря малым размерам преобразователей.

Недостатком является сравнительно небольшая зависимость ЭДС от температуры. Основная погрешность обычно составляет десятые доли процента, диапазон измерений – от сотых долей до единиц тесла.

11. Преобразователи на основе ядерного магнитного резонанса используют квантовое явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР), которым обладают материалы, содержащие ядра атомов, имеющих магнитный момент (например, вода, содержащая ядра атомов водорода). Если образец из такого материала поместить в измеряемое постоянное поле с индукцией В– и воздействовать на него переменным высокочастотным магнитным полем с индукцией В~, и изменяющейся частотой, то при некотором значении частоты f возникает резонансное поглощение высокочастотной энергии образцом. Эта частота равна f=(y/2π)B- где y – гиромагнитное отношение

Принцип измерения индукции магнитного поля при помощи ЯМР – преобразователей ЯМРП: Образец (ампула с водой) помещеная внутрь катушки. Катушка подключена к высокочастотному генератору G, поэтому вдоль ее оси возбуждается высоко–частотное магнитное поле В~. При измерениях индукции постоянного магнитного поля B_ поле В~ должно быть расположено перпендикулярно ему. Плавное изменение частоты генератора G позволяет установить частоту f, на которой имеет место ядерный магнитный резонанс и рост поглощения высокочастотной энергии ядрами вещества. При резонансе напряжение на зажимах катушки К уменьшается, что фиксируется на экране осциллографа. Резонансная частота f измеряется цифровым частотомером Hz. Тесламетры с ЯМР – преобразователями обладают высокой точностью, (грешность может не превышать 10-4 %) и широким диапазоном измерений (10-5 – 102 Тл).

12. Реостатный преобразователь – это прецизионный реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой величины. Входной величиной преобразователя является угловое (линейное) перемещение движка, выходной – изменение его сопротивления.

Он состоит из каркаса, на который намотан провод, изготовленный из материала с высоким удельным сопротивлением, и токосъемного движка, укрепленного на оси .Для обеспечения электрического контакта в месте касания обмотка зачищается от изоляции.

В измерительной технике требуются реостатные преобразователи, как с линейной, так и с нелинейной функцией преобразования. Одним из способов построения преобразователей с нелинейной функцией преобразования R = f(x) является использование каркаса с переменной высотой

При перемещении движка вдоль каркаса на величину шага обмотки сопротивление изменяется на

ΔR=(dR/dX)γ где dR/dx – производная требуемой функции преобразования R = f(x) по перемещению движка х.

13. Тензорезисторйый преобразователь (тензорезистор) представляет собой проводник, изменяющий свое сопротивление при деформации сжатия – растяжения. При деформации проводника изменяются его длина l и площадь поперечного сечения S. Деформация кристаллической решетки приводит к изменению удельного сопротивления ρ. Эти изменения приводят к изменению сопротивления проводника R=ρl/S Этим свойством обладают все проводники.Используют проводниковые (фольговые, проволочные, пленочные) и полупроводниковые тензорезисторы. Наилучшим материалом для изготовления проводниковых является константан.

Тензочувствительность константана лежит в пределах 2,0–2,1. Нелинейность функции преобразования не превышает 1%.

Фольговые тензорезисторы представляют собой тонкую лаковую пленку, на которую нанесена фольговая тензочувствительная решетка из константана. Фольговые тензорезисторы нечувствительны к поперечной деформации вследствие малого сопротивления перемычек, соединяющих тензочувствительные элементы.

Проволочный тензорезистор имеет аналогичное устройство, но его решетка выполнена из константановой проволоки. По метрологическим и эксплуатационным характеристикам проволочные преобразователи уступают фольговым.