Лекции / ЛЕКЦИЯ26_09

26 СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ, ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ. СТРУКТУРЫ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

(Сост. Никонов А.В.)

Средствами электрических измерений называются технические средства,

используемые при электрических измерениях иимеющие нормированные мет-

рологические характеристики.

Мера - средство измерений, предназначенные для воспроизведения физиче-

ской величины заданного размера. Различают однозначные меры, многозначные меры и наборы мер.

Пример: однозначная мера - нормальный элемент, катушка сопротивления.

Пример: набор мер - магазин сопротивлений.

Измерительный прибор - средство измерений, предназначенное для выра-

ботки сигналов измерительной информации, т. е. информации о значениях изме-

ряемой величины, в форме, доступной для непосредственного восприятия на-

блюдателем.

Измерительные преобразователи: средства измерений предназначенные для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для пере-

дачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддаю-

щейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Существуют два вида преобразований.

А) Преобразование электрических величин в электрические.

Б) Преобразование неэлектрических величин в электрические.

Некоторые виды ИП названы датчиками – под ними понимают ИП разме-

щенные непосредственно на объекте измерения и удалены от места отображе-

ния, обработки или регистрации информации.

Измерительная установка: совокупность функционально и конструктивно объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, предназна-

ченных для рациональной организации измерений. Пример: установка для про-

верки электрических счетчиков энергии.

Измерительные системы: совокупность средств измерений и вспомога-

тельных устройств, соединенных между собой каналами связи. В системах час-

то информация поступает с большого числа датчиков.

Пример: при стендовых испытаниях крупнейшего в России турбогенератора мощностью 1200 МВт, созданного в ПО «Электросила», к нему было подключено

1500 датчиков.

Каналы связи ИС могут быть как проводными (кабельными), так и радио. В

этом случае ИС называют телеизмерительными.

Разновидностью ИС являются системы автоматического контроля и из-

мерительно-вычислительные комплексы ИВК.

26.1 Метрологические характеристики средств измерения. Нормирование метрологических характеристик

Под метрологическими характеристиками(МХ) понимают характери-

стики свойств средств измерений, оказывающие влияние на результаты и по-

грешности измерений. Перечень МХ устанавливают ГОСТ 8.009-78 и ГОСТ 22261-

82.

Одной из основных МХ является погрешность. Понятие о погрешности не-

разрывно связано с понятием об истинном значении физической величиныХ . В

И

связи с тем, что истинное значение ХИ неизвестно, на практике пользуются "дейст-

вительным значением" величины, которое может быть определено эксперименталь-

но при помощи образцовых средств измерения и настолько приближается к истин-

ному, что может быть использовано вместо него.

Важной характеристикой прибора являетсявариация показаний (выходно-

го сигнала) прибора (преобразователя), под которой понимается разность между показаниями измерительного прибора (значениями выходного сигнала), соответ-

ствующими одному и тому же значению измеряемой величиныпри двух на-

правлениях медленных изменений значения входной величины в процессе подхо-

да к данной точке диапазона измерений.

К метрологическим характеристикам относятся также динамические ха-

рактеристики средств измерений – т. е. характеристики инерционных свойств

средств измерений, определяющие зависимость выходного сигнала средства из-

мерений от меняющихся во времени величин: параметров входного сигнала,

внешних влияющих величин, нагрузки.

Одной из динамических характеристик являетсявремя установления по-

казаний.

К метрологическим характеристикам относятвходное и выходное пол-

ное сопротивления (Z ВХ и Z ВЫХ). Это важный показатель. Предпочтительны высокие Z ВХ

26.2 Способы выражения и нормирования пределов допускаемых погреш-

ностей

В соответствии с ГОСТ8.401-80 пределы допускаемой основной и дополни-

тельной погрешности средств измерениймогут устанавливаться в видеабсо-

лютных, относительных или приведенных погрешностей или в виде определен-

ного числа делений шкалы.

Предел допускаемой абсолютной погрешности выражается:

а) одним значением

D = ± а;

б) в виде линейной зависимости

D = ± (а + bх) ,

где «а» – аддитивная, а «bх» – мультипликативная составляющие погрешности.

в) в виде таблицы пределов допускаемых погрешностей для разных номи-

нальных значений, показаний или сигналов.

Предел относительной погрешности выражается в процентах одной из следующих формул:

d = (D / Х) х 100 % = ± р , или d = ± [ c +d [ (Х К / Х) – 1] ] ,

где c, d – постоянные числа;

ХК – конечное значение диапазона измерений или диапазона значений сигнала на входе преобразователя.

Обобщенной метрологической характеристикой средств измеренийявля-

ется класс точности, который определяет допускаемые пределы всех погреш-

ностей, а также все другие свойства, влияющие на точность средств измерений.

У приборов, аддитивная составляющая погрешности которых преоблада-

ет над мультипликативной, класс точности выражается одним числом, выби-

раемым из ряда 1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5; 6; 10N где N = 1, 0, – 1, – 2, и т. д.

В таком случае приведенная основная погрешность прибора, выраженная в процентах, не должна превышать значения, соответствующего классу точности.

У приборов с соизмеримыми аддитивными и мультипликативными со-

ставляющими основной погрешности класс точности обозначается отношением

двух чисел c/d. Предельные значения основной погрешности при этом находятся по

двучленной формуле.

Класс точности должен удовлетворять условиюc > d, в противном случае

следует пользоваться выражением класса точности одним числом.

Предельное значение основной относительной погрешности δmax , определённое по классу точности, не должно быть меньше предельного значения ре-

альной погрешности æçèδ'max ö÷ø :

(a /x + b )× 100 £ c - d + X k /x × d,

откуда, существует связь:

26.3 Структуры средств измерений

Всё многообразие структурных схем средств измерений сводится к двум ос-

новным:

–структурной схеме средств измерений прямого преобразования – входная величина проходит через ряд измерительных преобразователей;

–структурной схеме средств измерений компенсационного преобразования.

Структура прямого преобразования – общий случай этой структуры имеет

вид:

Рисунок 26.1 – Структура средства измерения прямого преобразования

Пример этих схем – однофазные ваттметры, электронные фазометры и часто-

томеры, омметры и фарадометры. Если средство измерения имеет один входной сигнал, его структура представляется аналогично.

Для такой структуры:

а) в отличие от мультипликативной, аддитивная погрешность зависит от взаимного расположения преобразователей;

б) в средствах измерения прямого преобразования происходит суммирова-

ние погрешностей вносимых отдельными преобразователями – то есть они име-

ют сравнительно низкую точность.

Средства измерения со структурой компенсационного преобразования

Эта структура имеет две цепи: цепь прямого преобразования и цепь обратно-

го преобразования, рисунок 26.2:

Рисунок 26.2 – Структура средства измерения компенсационного преобразова-

ния

Мультипликативная погрешность устройства обусловлена изменением ко-

эффициентов преобразования преобразователейS и коэффициента обратной связи β.

То есть, при охвате цепи прямого преобразования цепью ООС, чувстви-

тельность устройства уменьшается в (1 + βS) раз.

При βS >> 1 (что обычно выполняется):

а) составляющая мультипликативной погрешности, обусловленная изме-

нением β, целиком входит в результирующую погрешность;

б) составляющая мультипликативной погрешности, обусловленная изме-

нением коэффициента S, уменьшается в (1 + βS) раз.

Аддитивная погрешность устройства не зависит от коэффициента преоб-

разования цепи ООС β, то есть ООС не влияет на приведённую ко входу аддитив-

ную погрешность.

26.4 Измерение тока и напряжения

Перед измерением нужно иметь представление о частоте сигнала, его форме, ожидаемом значении, требуемой точности измерения и о сопротивлении цепи, в которой будет производиться измерение.

Структуры:

2 Метод сравнения: это компенсационные методы измерения напряжения переменного тока в широком диапазоне частот.

Здесь измеряемую величину сравнивают с известной величиной, воспроизводимой или измеряемой с высокой точностью. В качестве элементов сравнения используют различные компарирующие преобразователи.

Последние годы лучшими являются компарирующие преобразователи на основе вакуумных диодов – это диодные компенсационные вольтметры. Они имеют точно известные параметры: на диод подают переменное напряжение, определяющее ток диода, и компенсационное напряжение, величина которого определяется амплитудой переменного напряжения.