Лекция № 7

Техника оснащения и последовательность проведения экспериментА План лекции

7.1 Техника оснащения эксперимента.

7. 2 Граница раздела в измерительных приборах.

7. 3 Динамические характеристики измерительной аппаратуры.

7. 4 Регистрация данных.

7. 5 Последовательность проведения эксперимента.

7.1. Техника оснащения эксперимента

В предыдущих лекциях измерительные системы и последовательность действий, совершаемых при проведении эксперимента, рассматривались в самом общем плане. Предполагалось, что при выполнении измерений могут возникать случайные и систематические ошибки, а полученные отсчеты можно комбинировать определенным образом, упрощая схему эксперимента и повышая его точность и информативность.

В настоящей лекции будут рассмотрены некоторые теоретические вопросы, связанные с проектированием измерительных систем, позволяющие правильно подобрать или разработать оборудование, выработать рациональный план действий экспериментатора. В большинстве случаев измерительная система состоит из следующих основных элементов:

• датчиков или измерительных приборов, воспринимающих и преобразовывающих изменение параметров процесса;

• регистрирующих устройств, фиксирующих эти изменения;

• запоминающих устройств, хранящих полученную информацию;

• вычислительных устройств, обрабатывающих и представляющих в удобном виде результаты измерений;

• коммутационных устройств, обеспечивающих связь между элементами измерительной системы.

Для того чтобы измерительная система выполняла поставленные перед ней задачи, каждый из ее элементов должен отвечать определенным требованиям, то есть иметь определенные характеристики, которые достаточно часто являются общими для различных типов приборов.

7. 2. Граница раздела в измерительных приборах

Термин граница раздела (interface) обычно означает физическую линию раздела двух сред (например, газ – жидкость, газ – твердое тело). В области обработки данных и вычислительной техники этот термин приобрел более широкое значение и означает элементы системы, с помощью которых пользователь общается с машиной.

При проектировании измерительных систем «проблема границы раздела» возникает в тех случаях, когда определенный объем информации, получаемый при проведении эксперимента, должен существенно менять свой энергетический характер или форму. Например, при измерении давления с помощью тензоманометра давление газа вызывает упругие деформации его чувствительного элемента, которые с помощью тензорезисторов преобразуются в электрические сигналы. В данном примере можно выделить несколько границ раздела: газ – упругий элемент тензоманометра; упругий элемент – тензорезистор; тензорезистор – мостовая схема и т. д. Очевидно, что точность и адекватность получаемой информации реальному процессу будет зависеть от того, насколько верно она будет передаваться через границы раздела.

Практическое правило, общее для всех измерительных систем, можно сформулировать следующим образом: чем меньше границ раздела в системе, тем выше точность измерения. Поэтому при выборе системы измерения экспериментатору следует особое внимание обратить на возможный диапазон измерений и их точность.

Одно из основных затруднений, связанных с наличием границ раздела, обусловлено влиянием импеданса и нагрузки. Термин импеданс используется главным образом в электротехнике и означает кажущееся электрическое сопротивление прибора, регистрируемое на разомкнутых выходных клеммах. Понятие импеданса распространяется и на многие неэлектрические системы. Например, пловец под водой с трудом улавливает звук, возникший в воздухе. В данном случае имеет место большое рассогласование импедансов, так как в воздухе звуковые волны распространяются за счет быстрых перемещений малых количеств вещества, а в жидкости медленных перемещений больших объемов.

Следовательно, для наилучшей передачи энергии через границу раздела от источника сигнала к воспринимающему его измерительному прибору выходной импеданс измеряемой системы должен быть равен входному импедансу измерительной системы. Например, при измерении скорости звуковой волны толщина мембраны микрофона должна быть сравнима с размерами фронта измеряемой волны.

В то же время в отдельных случаях максимальная передача энергии нежелательна, так как приводит к большим ошибкам и выводу из строя измерительного прибора. Например, при измерении напряжения участка электрической цепи вольтметр, включается параллельно и имеет очень высокий импеданс.

Другой важной проблемой, определяющей выбор измерительной аппаратуры, является нагрузка, создаваемая ей на измеряемый процесс. Под нагрузкой, здесь понимается не только электрическая нагрузка в используемой схеме, но и нагрузка, связанная с массовым расходом при отборе проб жидкости или газа, тепловая нагрузка при измерении температуры. Однако понять это влияние легче всего на примере измерения электрического сопротивления проводника, тем более что на этом принципе основано действие тензодатчиков давления, перемещения, деформации и т. п.

Зафиксировать изменение электрического сопротивления проводника можно с помощью различных электрических схем, три из которых приведены на рисунке 7. 1.

а) б) в)

Рис. 7. 1. Схемы измерения электрического сопротивления:

а) с помощью амперметра; б) с помощью вольтметра; в) с помощью калибровочного сопротивления.

В первой схеме (Рис. 7.1,а) амперметр последовательно включен с резистором и не только создает нежелательную токовую нагрузку на резистор, но и имеет нелинейную характеристику. А это означает, что измеряемый ток I связан с измеряемым сопротивлением R_u, что крайне нежелательно:

.

Вторая схема (Рис. 7. 1, б) более удобна, так как сопротивление вольтметра достаточно велико и измеряемое напряжение связано с сопротивлением Ru линейным соотношением:

.

Наиболее удобной и широко применяемой является мостовая схема (Рис. 7. 1, в). Если сопротивления R₂ и R₃ постоянны, то путем регулировки сопротивлением R₁ можно добиться чтобы ток, проходящий через гальванометр, был равен нулю. Тогда неизвестное сопротивление определится:

.

Кроме того, мостовую схему можно разбалансировать и, используя соотношение между возникшим током и сопротивлением R_u, найти последнее.

Приведенный пример показывает, что мостовая схема не оказывает влияния на исследуемый процесс, а датчики могут быть отнесены на значительное расстояние от регистрирующей аппаратуры. Вследствие чего она широко используется в баллистических и других экспериментов.