Технические измерения и приборы

Могут производиться телеизмерения текущих, статистических и интегральных значений параметров. Каналы бывают совмещенные, симплексные, полудуплексные и дуплексные. Установлены следующие классы точности устройств телеизмерений: 0,25; 0,4; 0,6; 1,0;

1,6; 2,5; 4,0.

Сравнительная оценка систем телеизмерений ведется по следующим параметрам:

–реально достижимой минимальной погрешности;

–помехоустойчивости;

–надежности системы;

–возможности работы с различными каналами связи;

–стоимости;

–возможности унификации и массового производства унифицированных устройств.

Лучшими системами считаются системы кодоимпульсных телеизмерений.

3.2.5. Перспективы развития ИИС

Интеллектуальные измерительные системы. Структуры ин-

теллектуальных измерительных систем интегрируют в себе все лучшие стороны систем, но более насыщены микропроцессорной вычислительной техникой. Применение интеллектуальных измерительных систем позволяет создать алгоритмы измерений, которые учитывают рабочую, вспомогательную и промежуточную информацию о свойствах объекта измерений и условиях измерений. Обладая способностью к перенастройке в соответствии с изменяющимися условиями функционирования, интеллектуальные алгоритмы позволяют повысить быстродействие и метрологический уровень измерений.

Виртуальные измерительные системы. Под виртуальными сис-

темами и комплексами понимается совокупность аппаратных и программных средств, решающих задачи измерения, передачи, обработки данных и обладающих универсальным пользовательским интерфейсом. Пользовательский интерфейс виртуальных приборов, систем и ком-

81

плексов, реализуемый программным способом, должен дать возможность с помощью средств компьютерной когнитивной графики в общем случае решать задачи:

–формирования структуры измерительной системы;

–задания всех функциональных связей между ее элементами;

–представления объекта исследования с разной степенью детализации;

–задания и реализации программы функционирования системы

ввиде логической и временной последовательности;

–получения развернутого графического изображения отдельных функциональных модулей, элементов, составляющих систему (виртуальный прибор, функциональный аппаратный и программный модуль);

–обеспечения адекватного компьютерного моделирования системы на этапе проектирования.

Специфика, связанная с объектом и задачами, решаемыми системой, определяется областью ее применения. Разработаны основные компоненты системы, позволяющей на начальном этапе исследования,

всоответствии со сценарием проведения измерительного эксперимента, путем заполнения таблицы связей и функционального использования отдельных приборов обеспечить автоматическое функционирование виртуальной системы в режиме эксплуатации, не требующей на этом этапе знания языков программирования.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Для чего предназначена измерительная информационная система (ИИС) и каковы ее основные функции?

2.Какие виды обеспечений входят в ИИС?

3.Для чего предназначена измерительная система (ИС), какие существуют виды ИС?

4.Каково назначение систем автоматического контроля?

5.Для чего предназначены системы технической диагностики?

6.Что представляют собой системы телеизмерения?

82

4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ

Наиболее распространенный вид электротехнических измерений – это измерения напряжения и силы тока. Измерения проводятся

вшироком диапазоне частот – от постоянного тока и инфранизких частот (сотые доли герца) до сверхвысоких частот (единицы и десятки гигагерц) и в широком диапазоне измеряемых значений напряжения и тока – от нановольт и наноампер до сотен киловольт и килоампер соответственно, при большом разнообразии форм измеряемого напряжения и тока.

Измерение постоянных напряжения и силы тока заключается

внахождении их значений и определении полярности. Целью измерения переменных напряжения и силы тока является нахождение какого-либо параметра.

Переменный ток промышленной частоты имеет синусоидаль-

ную форму и характеризуется мгновенным, среднеквадратичным значением, амплитудой и фазой

Наряду с сигналами синусоидальной формы широко используют и несинусоидальные сигналы (рис. 4.1). Такие сигналы характеризуются пиковыми значениями (максимальными значениями из всех мгновенных значений) в положительных или отрицательных полу-

волнах Xmax+ и Xmax-, среднеквадратичным и средневыпрямленным

значениями, а также средним значением, часто называемым посто-

янной составляющей.

Среднее значение равно среднему арифметическому всех мгновенных значений за период

83

где T – период, – ширина импульса.

Значения коэффициентов амплитуды и формы для некоторых сигналов приведены в табл. 4.1.

Для измерения напряжения и тока применяются методы непосредственной оценки и методы сравнения. Выбор методов и средств измерения обусловливается требуемой точностью измерений, амплитудным и частотным диапазонами измеряемого сигнала, мощностью, потребляемой прибором от измерительной цепи.

4.1. АНАЛОГОВЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

Аналоговые средства измерений – средства измерений, пока-

зания которых являются непрерывной функцией измеряемой величины.

85

4.1.1. Электромеханические приборы

Для измерения напряжения и силы тока широко применяются электромеханические приборы.

Общим термином «электромеханические приборы» обозначают средства измерений, структурная схема которых представлена на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Структурная схема электромеханических приборов

Схема включает в себя измерительную схему (ИС) или измерительную цепь, измерительный механизм (ИМ) и отсчетное устройство (ОУ). К электромеханической группе принадлежат измерительные приборы, например, магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической, электростатической и индукционной сис-

тем. Приборы этих систем часто входят в состав и других, более сложных, средств измерений. По физическому принципу, положенному в основу построения и конструктивному исполнению, эти приборы относятся к группе аналоговых средств измерения.

Измерительная схема представляет собой совокупность сопротивлений, индуктивностей, емкостей и иных элементов электрической цепи прибора и имеет своей основной задачей преобразовать измеряемую физическую величину X в некоторую новую величину Y, под воздействием которой происходит перемещение подвижной части измерительного механизма, отсчитываемое с помощью отсчетного устройства. Таким образом, если выполняется зависимость = f (X), то прибор может быть проградуирован в единицах измеряемой величины. Понятно, что для этого необходимо, чтобы каждому значению измеряемой величины соответствовало одно, и только одно, определенное отклонение . Не менее важно, чтобы параметры схемы и из-

86

мерительного механизма не изменялись при изменении внешних условий, например, температуры окружающей среды, частоты питающего схему тока и других факторов.

В большинстве электромеханических приборов выходным перемещением является угловое перемещение стрелки. Реже встречаются конструкции приборов с линейным перемещением указателя. Рассмотрим работу электромеханического прибора с угловым перемещением стрелки. Подвижная часть измерительного механизма с угловым перемещением изображена на рис. 4.3 и представляет собой ось 1 со стрелкой 2, вращающуюся в подпятниках 3. Возможный угол поворота стрелки ограничен упорами 4; шкала прибора – 5.

Рис. 4.3. Подвижная часть механизма электромеханического прибора

При подаче на вход измерительной схемы прибора измеряемой величины возникает вращающий момент, описываемый выражением

Чтобы каждому значению измеряемой величины X соответствовало определенное отклонение стрелки , необходимо уравновесить вращающий момент Mвр противодействующим моментом Mпр, противоположным вращающему и возрастающим по мере увеличения угла поворота подвижной части. В большинстве электроизмерительных

87

приборов противодействующий момент создается плоской спиральной пружинкой 6, для которой справедливо соотношение

где kпр – коэффициент противодействия, зависящий от свойств материала и размеров пружинки. При совместном воздействии вращающего и противодействующего моментов положение равновесия, т.е. установившееся отклонение стрелки определяется из условия Mвр = Mпр. Учитывая (4.1) и (4.2), получим

Решение этого уравнения представляет собой градуировочную характеристику прибора. Из (4.3) следует, что характер градуировочной характеристики определяется видом функциональной зависимо-

сти (4.1).

Подвижная часть измерительного механизма представляет собой колебательную систему. Для того чтобы в процессе достижения установившегося положения стрелка прибора не испытывала слишком долгих колебаний в электромеханических приборах, применяются успокоители, создающие момент успокоения, пропорциональный скорости перемещения стрелки,

где kусп – коэффициент успокоения.

Различают воздушные, жидкостные и магнитоиндукционные успокоители. В воздушных и жидкостных успокоителях успокоение достигается торможением специального элемента подвижной части (лепестка, поршня) за счет трения о воздух или жидкость.

В магнитоиндукционных успокоителях торможение осуществляется за счет взаимодействия магнитных полей магнита и токов, индуцированных в проводящих элементах подвижной части при их движении в поле этого магнита.

88

Наиболее распространенными в практике технических измерений являются электромеханические приборы магнитоэлектрической

иэлектромагнитной систем.

4.1.1.1.Приборы магнитоэлектрической системы

Вприборах магнитоэлектрической системы вращающий момент создается за счет взаимодействия поля постоянного магнита с рамкой (катушкой), по которой протекает ток. Конструктивно измерительный механизм прибора может быть выполнен либо с подвижным магнитом, либо с подвижной рамкой. На рис. 4.4 показана конструкция прибора с подвижной рамкой. Постоянный магнит 1, магнитопровод с полюсными наконечниками 2 и неподвижный сердечник 3 составляют магнитную систему механизма. В зазоре между полюсными наконечниками и сердечником создается сильное радиальное магнитное поле, в котором находится подвижная прямоугольная рамка 4, намотанная тонким медным или алюминиевым проводом на алюминиевом каркасе (или без каркаса). Рамка закреплена между

8

Рис. 4.4. Устройство прибора магнитоэлектрической системы

89

полуосями 5. Спиральные пружинки 6, предназначенные для создания противодействующего момента, одновременно используются для подачи измеряемого тока в рамку. Рамка жестко соединена со стрелкой 7. Для балансировки подвижной части имеются передвижные грузики 8.

Выражение для вращающего момента, действующего на подвижную систему при прохождении через рамку тока I, получим, используя формулу для силы Лоренца, воздействующей на проводник с током, находящийся в магнитном поле.

На рис. 4.5 изображена рамка прибора, находящаяся в зазоре магнитной системы.

F

F

Рис. 4.5. Рамка с током в магнитном поле

При прохождении электрического тока I через проводник длиной l, расположенный в магнитном поле с индукцией B, на проводник действует сила F, определяемая формулой

F IBl sin(B, I ) ,

где (B, I ) – угол между направлением тока и вектором магнитной индукции.

90