- •Вимірювання неелектричних величин
- •Основні поняття та визначення
- •1.1 Реєстрація фізичних величин
- •1.1.1 Способи сприйняття відомостей про об’єкти дослідження
- •1.1.2 Способи реєстрації значень фізичних величин
- •1.1.3 Перетворення фізичних величин
- •1.2.Основні поняття вимірювань
- •1.2.1. Вимірювання і вимірювальна інформація
- •1.2.2. Вимірювальні сигнали, перетворення вимірювальних сигналів, форми вимірювальної інформації
- •1.2.3. Принцип, метод, режим, алгоритм і процес вимірювання
- •1.2.4 Методики виконання вимірювань
- •1.2.5. Лічба, контроль, розпізнавання образів, діагностика стану об'єктів і їх зв'язок з вимірюваннями
- •1.2.6. Засоби, методи і алгоритми контролю
- •1.3. Класифікація вимірювань
- •1.3.1. Види вимірювань за способом одержання вимірювальної інформації
- •1.3.2. Абсолютні і відносні, аналогові і цифрові, звичайні та статистичні вимірювання
- •1.3.3. Класифікація методів вимірювань згідно з дсту 2681-94
- •1.4. Засоби вимірювальної техніки
- •1.4.1. Класифікація засобів вимірювань
- •1.4.2. Класифікація вимірювальних приладів
- •1.4.3. Поняття еталона, зразкових і робочих засобів вимірювань
- •1.4.4 Класифікація вимірювальних перетворювачів
- •1.5. Структура засобів вимірювань
- •1.5.1. Принцип дії, вимірювальне коло і види схем засобів вимірювань
- •1.5.2. Структурні схеми і види перетворень
- •1.5.3. Узагальнена структурна схема вимірювальної інформаційної системи
- •Контрольні запитання:
- •Вимірювання геометричних розмірів
- •2.1 Вимірювання лінійних та кутових розмірів
- •2.2 Вимірювання товщини шару покриття
- •2.3 Вимірювання рівнів
- •Контрольні запитання:
- •Вимірювання механічних зусиль
- •3.1 Загальні відомості
- •3.2 Вимірювання механічних напружень
- •В цьому випадку температурна похибка також виключається, а чутливість мостового кола збільшується в двічі.
- •3.3 Вимірювання механічних сил та тиску
- •Якщо досягається рівність між крутним та компенсувальним моментами
- •3.4 Вимірювання крутних моментів
- •Вимірювання параметрів руху твердих тіл
- •4.1 Загальні відомості
- •4.2 Вимірювання параметрів лінійного руху
- •4.3 Вимірювання параметрів вібрацій
- •4.4 Вимірювання параметрів обертового руху
- •З певним наближенням можна вважати, що амплітуда вихідних імпульсів
- •Контрольні запитання:
- •Вимірювання хімічного складу та властивостей речовин
- •5.1 Загальні відомості
- •5.2 Вимірювання хімічного складу і концентрації рідини
- •5.3 Вимірювання концентрації водневих іонів, рH-метри
- •5.4 Аналіз складу газів
- •Контрольні запитання:
- •Вимірювання електричних величин
- •Вимірювання малих напруг, струмів і зарядів
- •6.1 Вимірювані величини і методи вимірювань
- •6.2 Безпосередні вимірювання малих напруг, струмів та зарядів. Гальванометри
- •6.3 Межа чутливості електромеханічних приладів
- •6.4 Вимірювання малих напруг, струмів та зарядів, що грунтуються на їх попередньому підсиленні
- •6.5 Межа чутливості електричних підсилювачів малих сигналів
- •6.6 Боротьба з завадами при вимірюванні малих сигналів
- •Контрольні запитання:
- •Лекція7 методи вимірювань високих напруг і великих струмів
- •7.1 Загальні положення, методи вимірювань
- •7.2 Вимірювання струмів і напруг методом масштабного перетворення
- •7.2.1 Вимірювання великих струмів
- •7.2.2 Метод паралельного з’єднання шунтів
- •7.2.3 Вимірювання високих постійних і змінних напруг
- •7.3 Вимірювання високих напруг електромеханічними приладами
- •7.4 Електромагнітні методи
- •7.4.1 Вимірювання струмів, що грунтуються на гальваномагнітних ефектах
- •Прилади з немагнітним інтегруючим контуром. Прилади з немагнітним інтегруючим контуром складаються з ряду пх, що оточують шину зі струмом (рис. 7.7). Для цього випадку справджується наближене рівняння
- •7.4.2 Вимірювання струмів методом ядерного магнітного резонансу (ямр)
- •7.4.3 Метод компарування
- •7.5 Електрофізичні методи вимірювань великих струмів і високих напруг
- •7.5.1 Газорозрядний метод
- •Електродами
- •7.5.2 Метод прискоення заряджених частинок
- •7.5.3 Електрооптичні методи вимірювань великих струмів і високих напруг
- •7.6 Вимірювання великих струмів, що базуються на ефекті Фарадея
- •7.7 Вимірювання високих напруг з використанням електрооптичних ефектів Керра і Поккельса
- •Контрольні запитання:
- •Методи вимірювань потужності і енергії
- •8.1 Потужність, енергія і методи їх вимірювань
- •8.2 Вимірювання енергії за допомогою електро-механічних перемножувачів
- •8.3 Вимірювання енергії однофазного змінного струму. Індукційні лічильники електроенергії
- •8.4 Вимірювання енергії за допомогою електронних перемножувачів
- •8.4.1 Модуляційний метод вимірювання потужності
- •Модуляційним методом
- •8.4.2 Вимірювання потужності методом статистичних випробувань (метод Монте-Карло)
- •8.5 Калориметричний (тепловий) метод вимірювання потужності й енергії
- •Контрольні запитання:
- •Лекція9 методи вимірювань кута фазового зсуву
- •9.1 Основні поняття та визначення
- •9.2 Вимірювання кута фазового зсуву методами прямого перетворення
- •9.2.1 Вимірювання кута фазового зсуву осцилографічними методами
- •Та синусоїдної розгорток
- •9.2.2 Вимірювання кута фазового зсуву з перетворенням його на струм чи напругу
- •9.2.3 Вимірювання кута фазового зсуву з перетворенням його на код
- •9.3 Вимірювання кута фазового зсуву методом зрівноважувального перетворення
- •9.4 Кореляційний та ортогональний методи вимірювання кута фазового зсуву
- •Кфз кореляційним методом
- •Контрольні запитання:
- •Лекція10 магнітні вимірювання
- •10.1 Основні магнітні величини та їх міри
- •10.2 Вимірювальні перетворювачі магнітних величин
- •Квантові перетворювачі базуються на використанні атомних, ядерних та електронних резонансних явищ , що виникають при збудженні атомів деяких речовин зовнішнім магнітним полем.
- •10.2.1 Індукційні та фероіндукційні перетворювачі
- •10.2.2 Гальваномагнітні перетворювачі
- •10.2.3 Квантові перетворювачі
- •10.3 Вимірювання параметрів магнітного поля. Пристрої для створення магнітного поля
- •10.3.1 Вимірювання магнітного потоку
- •10.3.2 Вимірювання індукції
- •10.3.3 Вимірювання різниці магнітних потенціалів
- •10.4 Вимірювання магнітних характеристик феромагнетиків
- •10.4.1 Намагнічуючі пристрої і досліджувані зразки
- •10.4.2 Визначення статичних характеристик
- •10.4.3 Визначення динамічних характеристик
- •Складових питомого магнітного опору феромагнетика від індукції Контрольні запитання:
- •Перелік використаних джерел
ЗМІСТ
ВСТУП |
9 |
ЧАСТИНА ПЕРША ВИМІРЮВАННЯ НЕЕЛЕКТРИЧНИХ ВЕЛИЧИН |
|
Л е к ц і я 1 Основні поняття та визначення |
10 |
1.1 Реєстрація фізичних величин |
10 |
1.1.1 Способи сприйняття відомостей про об’єкти дослідження |
10 |
1.1.2 Способи реєстрації значень фізичних величин |
11 |
1.1.3 Перетворення фізичних величин |
13 |
1.2. Основні поняття вимірювань |
16 |
1.2.1. Вимірювання і вимірювальна інформація |
16 |
1.2.2. Вимірювальні сигнали, перетворення вимірювальних сигналів, форми вимірювальної інформації |
19 |
1.2.3. Принцип, метод, режим, алгоритм і процес вимірювання |
21 |
1.2.4 Методики виконання вимірювань |
22 |
1.2.5. Лічба, контроль, розпізнавання образів, діагностика стану об'єктів і їх зв'язок з вимірюваннями |
24 |
1.2.6. Засоби, методи і алгоритми контролю |
27 |
1.3. Класифікація вимірювань |
29 |
1.3.1 Види вимірювань за способом одержання вимірювальної інформації |
29 |
1.3.2. Абсолютні і відносні, аналогові і цифрові, звичайні та статистичні вимірювання |
32 |
1.3.3. Класифікація методів вимірювань згідно з ДСТУ 2681-94 |
32 |
1.4. Засоби вимірювальної техніки |
39 |
1.4.1. Класифікація засобів вимірювань |
39 |
1.4.2. Класифікація вимірювальних приладів |
41 |
1.4.3. Поняття еталона, зразкових і робочих засобів вимірювань 1.4.4 Класифікація вимірювальних перетворювачів |
42
44 |
1.5. Структура засобів вимірювань |
49 |
1.5.1. Принцип дії, вимірювальне коло і види схем засобів вимірювань |
49 |
1.5.2. Структурні схеми і види перетворень |
51 |
1.5.3. Узагальнена структурна схема вимірювальної інформаційної системи |
54 |
Л Е К Ц І Я 2 ВИМІРЮВАННЯ ГЕОМЕТРИЧНИХ РОЗМІРІВ |
57 |
2.1 Вимірювання лінійних та кутових розмірів |
57 |
2.2 Вимірювання товщини шару покриття |
63 |
2.3 Вимірювання рівнів |
69 |
Лекція 3 ВИМІРЮВАННЯ МЕХАНІЧНИХ ЗУСИЛЬ |
80 |
3.1 Загальні відомості |
80 |
3.2 Вимірювання механічних напружень |
81 |
3.3 Вимірювання механічних сил та тиску |
88 |
3.4 Вимірювання крутних моментів |
94 |
Лекція 4 ВИМІРЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ РУХУ ТВЕРДИХ ТІЛ |
100 |
4.1 Загальні відомості |
100 |
4.2 Вимірювання параметрів лінійного руху |
102 |
4.3 Вимірювання параметрів вібрацій |
109 |
4.4 Вимірювання параметрів обертового руху |
119 |
ЛЕКЦІЯ 5 ВИМІРЮВАННЯ ХІМІЧНОГО СКЛАДУ ТА ВЛАСТИВОСТЕЙ РЕЧОВИН |
128 |
5.1 Загальні відомості |
128 |
5.2 Вимірювання хімічного складу і концентрації рідини |
129 |
5.3 Вимірювання концентрації водневих іонів, рH-метри |
136 |
5.4 Аналіз складу газів |
142 |
ЧАСТИНА ДРУГА ВИМІРЮВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ ВЕЛИЧИН |
|
ЛЕКЦІЯ 6 ВИМІРЮВАННЯ МАЛИХ НАПРУГ, СТРУМІВ І ЗАРЯДІВ |
154 |
6.1 Вимірювані величини і методи вимірювань |
154 |
6.2 Безпосередні вимірювання малих напруг, струмів та зарядів. Гальванометри |
156 |
6.3 Межа чутливості електромеханічних приладів |
169 |
6.4 Вимірювання малих напруг, струмів та зарядів, що грунтуються на їх попередньому підсиленні |
171 |
6.5 Межа чутливості електричних підсилювачів малих сигналів |
177 |
6.6 Боротьба з завадами при вимірюванні малих сигналів |
181 |
ЛЕКЦІЯ 7 МЕТОДИ ВИМІРЮВАНЬ ВИСОКИХ НАПРУГ І ВЕЛИКИХ СТРУМІВ |
188 |
7.1 Загальні положення, методи вимірювань |
188 |
7.2 Вимірювання струмів і напруг методом масштабного перетворення |
189 |
7.2.1 Вимірювання великих струмів |
189 |
7.2.2 Метод паралельного з’єднання шунтів |
190 |
7.2.3 Вимірювання високих постійних і змінних напруг |
194 |
7.3 Вимірювання високих напруг електромеханічними приладами |
198 |
7.4 Електромагнітні методи |
200 |
7.4.1 Вимірювання струмів, що грунтуються на гальваномагнітних ефектах |
201 |
7.4.2 Вимірювання струмів методом ядерного магнітного резонансу (ЯМР) |
205 |
7.4.3 Метод компарування |
208 |
7.5 Електрофізичні методи вимірювань великих струмів і високих напруг |
210 |
7.5.1 Газорозрядний метод |
210 |
7.5.2 Метод прискоення заряджених частинок |
212 |
7.5.3 Електрооптичні методи вимірювань великих струмів і високих напруг |
214 |
7.6 Вимірювання великих струмів, що базуються на ефекті Фарадея |
216 |
7.7 Вимірювання високих напруг з використанням електрооптичних ефектів Керра і Поккельса |
220 |
ЛЕКЦІЯ 8 МЕТОДИ ВИМІРЮВАНЬ ПОТУЖНОСТІ І ЕНЕРГІЇ |
223 |
8.1 Потужність, енергія і методи їх вимірювань |
223 |
8.2 Вимірювання енергії за допомогою електро-механічних перемножувачів |
227 |
8.3 Вимірювання енергії однофазного змінного струму. Індукційні лічильники електроенергії |
228 |
8.4 Вимірювання енергії за допомогою електронних перемножувачів |
232 |
8.4.1 Модуляційний метод вимірювання потужності |
232 |
8.4.2 Вимірювання потужності методом статистичних випробувань (метод Монте-Карло) |
235 |
8.5 Калориметричний (тепловий) метод вимірювання потужності й енергії |
235 |
ЛЕКЦІЯ 9 МЕТОДИ ВИМІРЮВАНЬ КУТА ФАЗОВОГО ЗСУВУ |
239 |
9.1 Основні поняття та визначення |
239 |
9.2 Вимірювання кута фазового зсуву методами прямого перетворення |
240 |
9.2.1 Вимірювання кута фазового зсуву осцилографічними методами |
240 |
9.2.2 Вимірювання кута фазового зсуву з перетворенням його на струм чи напругу
|
242 |
9.2.3 Вимірювання кута фазового зсуву з перетворенням його на код |
244 |
9.3 Вимірювання кута фазового зсуву методом зрівноважувального перетворення |
247 |
9.4 Кореляційний та ортогональний методи вимірювання кута фазового зсуву |
250 |
Лекція10 МАГНІТНІ ВИМІРЮВАННЯ |
254 |
10.1 Основні магнітні величини та їх міри |
254 |
10.2 Вимірювальні перетворювачі магнітних величин |
256 |
10.2.1 Індукційні та фероіндукційні перетворювачі |
257 |
10.2.2 Гальваномагнітні перетворювачі |
263 |
10.2.3 Квантові перетворювачі |
267 |
10.3 Вимірювання параметрів магнітного поля. Пристрої для створення магнітного поля |
272 |
10.3.1 Вимірювання магнітного потоку |
274 |
10.3.2 Вимірювання індукції |
278 |
10.3.3 Вимірювання різниці магнітних потенціалів |
282 |
10.4 Вимірювання магнітних характеристик феромагнетиків |
283 |
10.4.1 Намагнічуючі пристрої і досліджувані зразки |
283 |
10.4.2 Визначення статичних характеристик |
285 |
10.4.3 Визначення динамічних характеристик |
291 |
ПЕРЕЛІК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ |
297 |
|
|
ВСТУП
Конспект лекцій з дисципліни «Методи і засоби вимірювань» призначено для вивчення теоретичного матеріалу, закріплення знань, одержаних на лекційних заняттях, для підготовки до лабораторних занять та самостійного вивчення курсу дисципліни.
Конспект лекцій складається з двох частин, перша частина присвячена вимірюванням неелектричних величин, друга - електричних величин, кожна частина своєю чергою складається з п’яти лекцій та розроблений у відповідності з робочою програмою навчальної дисципліни та навчальним планом підготовки фахівців за напрямом «Метрологія та інформаційно-вимірювальні технології» денної та заочної і дистанційної форм навчання.
ЧАСТИНА ПЕРША
Вимірювання неелектричних величин
Л е к ц і я 1
Основні поняття та визначення
1.1 Реєстрація фізичних величин
1.1.1 Способи сприйняття відомостей про об’єкти дослідження
Об’єкт довкілля пізнають за допомогою конкретних способів. Серед них як загальнонаукові виділяють:
емпіричні;
емпірично-теоретичні;
теоретичні.
Порівняння, рахунок, реєстрація, вимірювання й оцінювання відомі як емпіричні.
Світ пізнається шляхом порівняння. Порівняння об’єктів довкілля є змістовним у випадку її однорідності. Порівнюючи об’єкти за однорідними ознаками, встановлюємо подібність або відмінність між ними. Більше того, з сукупності об’єктів виявляємо, що певної ознаки в одного з об’єктів «більше» або «менше», ніж у другого. Класифікуючи об’єкти за однорідними ознаками, формуємо певні сукупності об’єктів. Кількість якісно однорідних об’єктів з деякої сукупності визначаємо за допомогою рахунку. Результатом рахунку є число однорідних об’єктів.
Відомості про ознаку досліджуваного об’єкта отримуємо в процесі його взаємодії з фізичним полем (електричним, магнітним, електромагнітним та ін..). характеристики фізичного поля, які при взаємодії з досліджуваним об’єктом зазнають характерних змін, відображаються потоком енергії. Потік енергії переносить відомості від досліджуваного об’єкта до вимірювача. Носієм про ознаку об’єкта є сигнал.
При зіставленні кількох об’єктів за однорідною ознакою їх можна порівнювати з одним із них. Таким чином, виникає поняття про міру як об’єкт, якому властива ознака для порівняння з ним однорідних ознак інших об’єктів. Якщо ознаці об’єкта в процесі порівняння з мірою відповідає число, вона є фізичною величиною. Співвідношення міри й вимірюваної величини встановлює число, яке відображає відомості про ознаку об’єкта і є результатом вимірювання. Таке числове відображення характерне для побудови шкали вимірювача.
При порівнянні однорідних ознак об’єктів з мірою, рахунку співвідношення міри і значення фізичної величини ідеальним для порівняння є значення:
N = 0, при g1 ≤ g0 та N = ∞ при g1 > g0 , (1.1)
де N - число; g1 - ознака об’єкта; g0 - одинарна ознака, відтворювана мірою.
Число N, отримане за допомогою міри та пристрою порівняння, підтверджує дію вимірювання значення фізичної величини.
1.1.2 Способи реєстрації значень фізичних величин
До способів сприйняття відомостей про довкілля належить реєстрація. На практиці використовують ручну й автоматичну реєстрації значень фізичних величин. Фізичні величини, які сприймаються органами зору людини, реєструють вручну позначками на певних предметах. До величин, які реєструють ручним способом, належать довжина і кут.
Автоматичну реєстрацію розрізняють аналогову та цифрову. Розглянемо зміст автоматичної реєстрації. За результатом реєстрації визначають поточне значення вимірюваної величини, характер зміни цієї величини, встановлюють функціональний зв'язок між кількома вимірюваними величинами. Для вирішення багатьох завдань вимірювання достатньо зареєструвати значення вимірюваної величини, перетвореної у зручну для сприйняття величину, наприклад, довжину. Для цього використовують реєструючі прилади: самописці, різні осцилографи, графопобудувачі. Фізичний зміст вимірювання значення фізичної величини відображаються такою послідовністю операцій:
- взаємодією досліджуваного об’єкта з вимірювальним приладом;
- вимірювальним перетворенням однієї фізичної величини в іншу;
- порівнянням значень фізичної величини з однорідною за фізичною природою, мірою;
- отриманням результату вимірювання внаслідок порівняння значення фізичної величини з мірою.
У процесі вимірювання аналогова реєстрація виконує функцію вимірювального перетворення й позначає на певному об’єкті, наприклад, діаграмному папері, відомості про значення фізичної величини чим є досліджуваний без процедури порівняння з мірою.
В цьому контексті розглянемо цифрову реєстрацію.
Наприклад: неперервна вимірювана величина за допомогою частотних перетворювачів перетворюється у пропорційну до неї частоту, яку, у свою чергу, вимірюють шляхом відліку числа імпульсів за певний заданий часовий інтервал, який є мірою. Тут цифрова реєстрація несе змістове навантаження вимірювання й означується як представлення значення вимірюваної величини числом, шляхом порівняння з мірою. Далі вимірювання - один із способів реєстрації значень фізичних величин.
Результат цифрової реєстрації (вимірювання) має цінність лише в тому випадку, коли оцінюємо точність вимірювання. Точність вимірювання значення фізичної величини характеризується похибкою. До процесу вимірювання ми не маємо відомостей про значення фізичної величини. Тому для точності оцінювання значення фізичної величини, яку вимірюємо, за результатом вимірювання використовуємо апріорні відомості про закон розподілу можливих значень фізичної величини. З теорії імовірностей відомо, що закон розподілу можна охарактеризувати числовими характеристиками (математичне сподівання, дисперсія), які використовуємо для кількісного оцінювання похибок.