шпоргалка / шпоры с рисунками
.doc
1. Измерение. Основные понятия и определения. Физические величины (ФВ) – ограниченное кол-во свойств, общих в кач. отношении для различных объектов, но индивидуальных для каждого из них в колич. Кач. сторона определяет вид ФВ (эл. сопр.), а колич. - ее размер (сопр. данного резистора). Колич. содержание свойства общее в колич. отношении для конкр. объекта – размер ФВ. Измерение – нахождение значения ФВ опытным путем с помощью спец. технич. средств, найденное значение - результат измерения. Важно: 1) измерять можно свойства реально существующих объектов; 2) измерение требует проведения опытов; 3) измерение производится с помощью средств измерения, приводимых во вз_действие с объектом; 4) результатом измерения являются значения ФВ. Принципиальная особенность заключается в отражении физич. величины именованным числом, т.е. результат измерения должен быть выражен в определенных единицах, принятых для данной величины. Совокупн. величин, связанных между собой зависимостью образует систему физических величин (в РФ – СИ). |
2. Виды измерений. Примеры. Измерения (И) – разнообразны, наиб. распространена классификация в зависимости от способа обработки экспериментальных данных: 1) прямые И., когда искомое значение ФВ находится непосредственно из опытных данных, напр. И. U вольтметром. 2) косвенное, когда искомое значение ФВ находится на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, напр. R из з-на Ома ч-з I,U, получ. в рез-те И. 3) совместное, когда одновр. И. нескольких неодноименных величин, для нахождения зависимости между ними, при этом решается система уравнений, напр. R от температуры Т. 4) совокупное, когда одновр. И. нескольких одноименных величин, при котором искомые значения величин находятся решением системы уравнений, состоящих из прямых И. различ. сочетаний этих величин, напр. И. R, соед. ∆. Вз_действие средств измерения с объектом основано на физич. явлениях, совокупн. которых составляет принцип измерений, а совокупность приемов использования принципа и средств измерений - метод измерений. Числ. знач. измеряемой величины получается путем ее сравнения с известной величиной, воспроизводимой опред. видом средств И. – мерой. |
3. Методы измерений. В зависимости от способов применения меры или величины различают метод непосредственной оценки (МНО) и метод сравнения с мерой (МСМ). При МНО значение измеряемой величины (ИВ) определяется непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора (ИП), шкала которого была заранее проградуирована с помощью многозначной меры, воспроизводящей известные значения ИВ, напр. измерение U вольтметром. При МСМ производится сравнение ИВ и величины воспроизводимой мерой, сравнение может производится либо непосредственно, либо через другие величины однозначно связанных между собой. При МСМ – обяз. участие в процессе измерения меры известной величины (ИзвВ), однородной с ИВ. Группа МСМ включает в себя: 1) нулевой метод, когда измеряется разность ИВ и ИзвВ, разность эффектов сводится в процессе измерений к 0 и фиксируется индикатором. При высокой точности мер, воспроизводимых ИзвВ и большой чувствительности 0-индикатора достигается высокая точность, напр. измерение R четырехплечным мостом. 2) дифференц. метод, когда ищется разность между ИВ и ИзвВ, воспроизводимой мерой измерения с помощью измерит. прибора. Неизв. величина определяется по известной и неизвестной разности. Метод точный, когда ИзвВ воспроизводится с высокой точностью, а разность между ИзвВ и неИзвВ мала. 3) метод замещения, когда идет поочередное подключение на вход прибора ИВ, ИзвВ и по вторичным показаниям прибора оценивают значение неИзвВ, например измерение малого напряжения с помощью высокочувствительного гальванометра, к которому сначала подключают источник неизв. напряжения, определяют отклонение стрелки, затем с помощь регулированного источника и добиваются такого же отклонения стрелки. 4) метод совпадения, когда измеряется разность между ИВ и величиной, воспроизводимой мерой, используя совпадения отметных шкал или периодич. сигналов, напр. штангенциркуль. |
4. Причины возникновения погрешностей. Методическая погрешность. Процедура измерения (И) состоит из основных этапов: 1) принятие модели объектоизмерения; 2) выбор метода И.; 3) выбор средств измерения (СИ); 4) проведение эксперимента с целью получения численного значения измеряемой величины (ИВ). Различные недостатки на этих этапах приводят к неизбежному отличи. результата И. от истинного значения ИВ, эти отличия – погрешности. Причины возникновения П. различны: измерительные преобразования осущ. с применением различных физических явлений на основании которых можно установить соответствие между ИВ объекта исследования и выходного сигнала СИ, по которому оценивается рез-т измерения. Точно установить это соответствие не удается из-за недостаточной изученности объекта исследования, невозможности точного учета влияния внешних факторов, использование простых, но приближенных аналитических зависимостей вместо более точных и сложных и т.д. В результате принимается зависимость между ИВ и выходным сигналом СИ, которая всегда отличается от реальной, что приводит к погрешности, которую называют методической погрешностью измерения. Пример: необходимо определить амплитудное значение синусоидального напряжения, вольтметром измерить действительное значение, затем через коэффициент амплитуды = √2, рассчитывают амплитуду. В действительности коэффициент амплитуды = √2 только для идеального синусоидального сигнала. Так несовершенство принятого объекта исследования приводит к методической погрешности.
|
5. Причины возникновения погрешностей (П). Инструментальная (ИП), энергетическая (ЭП), субъективная (СП) погрешности. Процедура измерения (И) состоит из основных этапов: 1) принятие модели объектоизмерения; 2) выбор метода И.; 3) выбор средств измерения (СИ); 4) проведение эксперимента с целью получения численного значения измеряемой величины (ИВ). Различные недостатки на этих этапах приводят к неизбежному отличи. результата И. от истинного значения ИВ, эти отличия – погрешности. Причины возникновения П. различны: измерительные преобразования осущ. с применением различных физических явлений на основании которых можно установить соответствие между ИВ объекта исследования и выходного сигнала СИ, по которому оценивается результат измерения. Точно установить это соответствие никогда не удается из-за недостаточной изученности объекта исследования, невозможности точного учета влияния внешних факторов, использование простых, но приближенных аналитических зависимостей вместо более точных и сложных и т.д. В П. измерений входит погрешность СИ, используемых в эксперименте. Составляющая П., обусловленная погрешностями применяемых СИ называют инструментальной погрешностью. Если включение СИ в цепь, где производится измерение, может изменить режим цепи за счет взаимодействия средств измерения с цепью, то составляющую возникающей при этом П. называют энергетической, как правило, её относят к ИП, т.к. она тоже обуславливается несовершенством СИ. В процессе измерения часто принимают участие экспериментаторы, они могут внести т.н. субъективную погрешность, которая является следствием индивидуальных свойств человека, например, если несколько экспериментаторов померяют ток в цепи одним и тем же аналоговым амперметром, то результат измерений всегда будет разный.
|
6. Погрешности измерений: статические (СП) и динамические (ДП), систематические (СсП) и случайные (СлП), промахи (Пр). Процедура измерения (И) состоит из основных этапов: 1) принятие модели объектоизмерения; 2) выбор метода И.; 3) выбор средств измерения (СИ); 4) проведение эксперимента с целью получения численного значения измеряемой величины (ИВ). Различные недостатки на этих этапах приводят к неизбежному отличи. результата И. от истинного значения ИВ, эти отличия – погрешности. Есть методическая П., инструментальная, субъективная и др. В зависимости от режима работы СИ (статич. или динамич.) или характера поведения измеряемой величины различают погрешности статические и динамические.В стат. режиме измеряемая величина и выходной сигнал СИ по которому оценивают результат измерения являются неизменными во времени. В динамическом режиме выходной сигнал изменяется во времени. Соотв. СП называют П. СИ, используемых для измерения постоянной величины, а ДП - разность между погрешностью СИ в динамическом режиме и его СП соответствующей значению величины в данный момент времени. В зависимости от характера измерения различают: 1) СсП– составляющую погрешность измерения, остающуюся постоянной или закономерно изменяющуюся при измерении одной и той же величины (температурная П. и др.), 2) СлП – составляющую погрешность измерения, изменяющуюся случ. образом при повторном измерении одной и той же величины (влияние внешних ЭМ полей). СсП м.б. исключены/уменьшены устранением источников погрешности или введением поправок. СлП, как правило, вызываются сложной совокупн. изменяющихся факторов, обычно неизвестных. Иногда причины появления СлП известны, тогда для уменьш. СлП уменьшают влияние причин на результат измерения. Например: от влияния внешних ЭМ измерительные цепи экранируются. При невозможности устранения этих причин или когда они неизвестны, влияние самих погрешностей на результат измерения можно уменьшить путем проведения многокр. измерений одного и того же значения измеряемой величины с дальнейшей статической обработкой. Кроме перечисленных, встречаются грубые П., существенно превышающие ожидаемую П. Результат измерений, содержащий грубую П. называют промахом. Пр. можно выяснить путем обработки результатов повторных измерений методом тер-вер. В зависимости от способа выражения различают абс. и отн. П. АП выражается в единицах измеряемой величины. ОП выражается в % и явл. более наглядной характеристикой точности при сравнении различных результатов измерений.
|
7. Средства измерений (СИ). СИ – технич. средства, имеющие нормированные метрологические характеристики. По функциональному назначению СИ делят на группы: меры (М), измерительные преобразователи (ИП), измерительные приборы (Ипб), измерительные информационные системы (ИИС), измерительные установки (ИУ). М - СИ предназначенные для воспроизведения физических величин заданного размера, напр. резистор, воспроизводящий R заданного размера с известной погрешностью. ИП – СИ для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающееся непосредственному восприятию наблюдателя. В зависимости от рода измеряемой величины на входе ИПб они делятся на преобразователи эл. величин (делители напряжения, усилители, трансформаторы) и преобразователи неэл. величин (термопары, преобразователи скорости). ИПб – СИ для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателя. ИПб, показания которых являются непрерывной функцией изменения измеряемой величины называют аналоговым, ИПб автоматически вырабатывающий дискретный сигнал измерительной информации и дающий показания в цифровой форме – цифровой ИПб. ИИС – совокупность функционально объединенных измерителей, вычислителей и других вспомогательных вычислительных средств. Для получения измерительной информации, ее преобразуют и обрабатывают с целью представления потребителю в требуемом виде, либо автоматического осуществления функции контроля, диагностирования, идентификации и др. ИУ – совокупность конструктивно объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенных для рациональной организации измерений. Все средства измерений по выполняемым метрол. функциям делят на образцовые (ОСИ) и рабочие (РСИ). ОСИ - для поверки с их помощью др. рабочих средств измерений. РСИ - для выполнения всех измерений, кроме связанных с поверкой.
|
8. Нормируемые метрологические характеристики (МХ) средств измерений (CИ). Каждое СИ обладает своими специфич. свойствами, вместе с тем имеются общие св-ва, которые позволяют сопоставить СИ между собой. Свойства СИ описываются хар-ками среди которых основное место занимают метрологические – хар-ки свойств СИ, оказывающие влияние на результат и погрешности измерения. Перечень МХ по ГОСТу: 1) номинальная статическая характеристика преобразования (функция преобразования – функциональная зависимость между информативными параметрами выходного и входного сигнала СИ, её еще называют номинальной функцией преобразования СИ ). 2) чувствительность – отношение приращения выходного сигнала СИ к вызвавшему это приращение изменению входного сигнала. Применительно к измерительным приборам – если их чувствительность постоянна, то шкала прибора равномерная. 3) диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормируется погрешность СИ. Диапазон измер. огранич. наиб. и наим. значениями. Для измер. приборов область значений шкалы ограничивают нач. и конечн. значениями шкалы, называют диапазоном показаний, может делится на поддиапазоны. 4) цена деления шкалы – разность значений величины, соотв. двум соседним отметкам шкалы. Для СИ, выражающих результат измерения в цифр. форме указывают цену единицы младш. разряда, вид вых. кода и число разрядов кода. 5) для оценки влияния СИ на режим работы объекта исследования нормируется входное полное R. При включении СИ в цепь, оно потребл. от этой цепи некот. мощность, что может привести к изменению режима цепи. 6) допустимая нагрузка на СИ и погрешность передачи сигнала измерительной информации зависит от выходного полного сопротивления. 7) ! погрешность, которую СИ вносит в результат измерения. П. СИ зависят от внешних условий (влияющих величин), поэтому их принято делить на основную и дополнительную. Основная – погрешность в условиях, принятых за нормальные для данного СИ, дополн. – возникает при отклонении измеряемой величины от норм. значений (областей значений). 8) вариация выходного сигнала – разность между значениями информативного параметра выходного сигнала соответствующими одному и тому же действительному значению входной величины при 2-х направлениях медленных изменений входной величины в процессе подхода к выбранному значению входной величины. 9) погрешности СИ на аддитивные и мультипликативные. АПСИ не зависят от измеряемой величины. МПСИ изменяются пропорционально измеряемой величине. 10) динамические характеристики средств измерений – характеристики инерционных свойств. Средства, определяющие зависимость выходного сигнала средства измерения от меняющихся во времени величин: параметры входного сигнала, внешних влияющих величин, нагрузки и др. Напр. время реакции, время установления показаний, и др. |
9. Способы выражения пределов допускаемой погрешности СИ. Класс точности. В соотв. с ГОСТом пределы допускаемой основной и доп. погрешности СИ могут устанавл. в виде абс., отн., приведенных погрешностей, либо в виде числа делений шкалы. Абс. П. выраж. в тех же единицах, что и измеряемая величина. Пределы допуст. П. выражаются 1) одним числом ∆=±а, 2) линейной зависимостью ∆=±(а+bx), a,b – const, x – значение измеряемой величины. В виде таблицы пределов погрешностей для разных номинальных значений показаний измерений. Отн. П. – это отношение абс. П. к значению измеряемой величины. Предел ОП выражен в %, одной из следующих формул: 1) δ=(∆/x)∙100%, 2) δ=±[c+d{(xk/x)-1}]; c,d – const, x – значение измеряемой величины в диапазоне измерений. 3) приведенная погрешность – отношение абс. П. к нормирующему значению δ=(∆/хk)∙100%. Обобщ. метрол. хар-кой СИ явл. класс точности, который определяет допускаемые пределы всех погрешностей, а также все другие свойства, влияющие на точность СИ. Для СИ, пределы допускаемых погрешностей которых выражены в виде относительных или приведенных погрешностей ГОСТом установлен следующий ряд чисел для для обозначения класса точности 1/2/2,5/4/5/6∙10n, где n=1,0,-1,-2,..
|
10. Показатели точности и формы представления результатов измерений. ГОСТом установлены показатели точности измерений: 1) интервал, в котором погрешности измерений находятся с заданной вероятностью, 2) интервал, в котором систематич. составл. погрешности измерений находится с заданной вероятностью, 3) числ. хар-ки составл. погрешности измерения, 4) числовые хар-ки случ. составл. погрешности измерения, 5) функция распределения (плотность вероятности систематической составляющей погрешности измерений), 6) функция распределения случайной составляющей погрешности измерения. При выражении точности измерения интервалов, к которым с установленной вероятностью находятся суммарные погрешности измерений установлена форма представления рез-ов измерения A; ∆ от ∆H до ∆В; P, где A – результат измерения в единицах измеряемой величины, ∆ - погрешность, ∆H,∆B – нижние/верхние ее границы, Р – установленная вероятность, с которой погрешность измерения находящаяся в этих границах. Если границы погрешности симметричны, то A±∆;P.
|
11. Суммирование погрешностей. Систематические погрешности (СП), если они известны или достаточно точно определены суммируют алгебраически, т.е. с учетом собственного знака. Нередко СП по своей природе носит характер случайной, иногда при суммировании все погрешности рассматриваются как случайные. Случайные погрешности суммируют с учетом их взаимных корреляционных связей. Обычно информация о мере корреляции связей отсутствует, поэтому на практике рассматривают 2 крайних случая – когда коэффициент корреляции =0 или =1. При этом некоррелированные погрешности, т.е. вызванные взаимонезависимыми источниками или причинами, суммируются геометрически. δ∑=√(∑i=1Nδi2). Случайные погрешности сильно или жестко коррелированные (коэффициент корреляции=1) суммируются с учетом следующих предпосылок. Если данная причина вызывает в различных узлах прибора измерение погрешности в одном и том же направлении, то погрешности складываются δ∑=δ1+δ2. Если же изменение противоположно, то погрешности вычитаются δ∑=|δ1-δ2|.
|
12. Характеристики случайных погрешностей и их оценки. Результат измеряемой величины всегда содержит систематич. и случ. погрешности, поэтому погрешность результатов измерения в общем случае - случ. величина, тогда систематич. погрешность – M(X) этой величины, а случ. погрешность – центрированная случ. величина. Полным описанием величины, а следовательно и погрешности являются ее закон распределения. Основными числ. хар-ками законов распред. явл. – M(X) и D. Как числовая характеристика погрешности M(X) показывает нам смещенность результатов измерения относительно истинного значения измеряемой величины. D погрешности хар-зует степень рассеивания (разброса) отдельных знаний погрешности относительно мат. ожидания. Чем меньше дисперсия, тем меньше разброс, тем точнее выполнено измерение. Дисперсия выражается в единицах погрешности в квадрате, это не удобно, поэтому в качестве хар-ки точности используют среднее квадратическое отклонение σ=√D, выраж. в единицах погрешности. Когда распределение погрешности теоретически неограниченно, например при норм. з-не распред. погрешность может быть любой по значению. В этом случае можно говорить лишь об интервале, за границы которого погрешность не выйдет с некоторой вероятностью. Этот интервал называют доверительным, характеризующую его вероятность – доверительной, (1%,5%), а границы этого интервала – доверительными значениями погрешности.
|
13. Методика статистической обработки результатов измерений. Методика относится к прямым измерениям с многокр. наблюдениями. Предполагаем, что измерения выполняются одним экспериментатором, в одинаковых условиях, одним прибором. 1) проводят n измерений и фиксируют n результатов измерений одного и того же значения физической величины x1’, x2’,..xn’, 2) исключают известные систематич. погрешности рез-ов измерений и получают исправл. результат x1,x2,..xn. 3) находят средн. арифм. значение исправленных результатов и принимают его за результат измерений ‾x=1/N∙∑i=1Nxi 4) вычисляют оценку среднеквадратического отклонения результата измерений. 4а) находят отклонение от среднего арифметического ρ1=x1-‾x,..ρn=xn-‾x 4б) проверяют правильность вычислений и если они верны, то ∑ отклонений = 0, ∑i=1Nρi=0, 4в) вычисляют квадраты отклонений от среднего ρ12,..ρn2 4г) определяют оценку среднеквадратического отклонения 'δn=√(1/(N-1))∙∑i=1Nρi2) 4д) находят значение относит. среднеквадратич. случ. погрешности δn='δn/‾x. 5) вычисляют оценку среднеквадратического отклонения результата измерения 'δρi='δ/√n 6) проверяют гипотезу о том, что распред. рез-ов измерения гауссовское (нормальное). 7) вычисляют доверительные границы случайной погрешности результатов измерений. 7а) задаются коэффициенты доверия α (доверительной вероятности), 7б) по специальным таблицам определяют значение коэффициента β, соответствующее заданной доверительной вероятности и числу наблюдений, 7в) находят значение δ=β∙'δρi 7г) вычисляют доверительные границы (‾х-ε; ‾x+ε), 7д) определяют доверительный интервал γ=2ε 8) записывают результат изме.
|
14. Магнитоэлектрический измерительный механизм (МЭИМ). Принцип действия основан на вз_действии магн. полей пост. магнита и катушкой через которую протекает измеряемый ток. На рис. 1 – постоянный магнит, 2 – магнитопровод, 3 – подвижная катушка, закрепленная на опорах. 4 – спиральная пружина. В результате вз_действия магн. полей создается вращ. момент, под воздействием которого катушка поворачивается, закручивая спиральную пружину, которая создает противодействующий момент, величина которого пропорц. углу закрученной пружины. Подвижная часть установится в определенное положение при равенстве вращающего и противодействующ. моментов, а т.к. противодействующий момент пропорц. углу поворота, то и вращающий момент пропорц. протекающему через катушку току хар-ка преобразования линейна, шкала равномерна. Направление поворота подвижной части зависит от направления тока, протекающего через катушку, поэтому МЭИМ может использоваться для измерения только постоянных токов и напряжений. Особенности: наиболее высокая точность, чувствительность, наименьшим потреблением мощности от объекта измерения (меньше только электростатич. механизм). Применяют в амперметрах и вольтметрах постоянного тока, гальванометра, а также в качестве элемента индикации в аналоговых электронных приборах.
|
15. ЭМ измерительный механизм (ЭМИМ). Принцип действия основан на взаимодействии магн. поля катушки с измеряемым током и ферромагнитного сердечника.1 – каркас из немагнитного материала, 2 – катушка, 3 – сердечник, 4 – спиральная пружина. При протекании измеряемого тока через катушку под действием магн. поля сердечник втягивается внутрь катушки, поворачиваясь на опорах, закручивая спиральную пружину. Направление поворота подвижной части не зависит от направления тока в катушке, поэтому механизм может использоваться при измерении постоянных и переменных токов. Характеристика преобразований нелинейна. Шкала неравномерная и сильно сжата в начале, т.к. чем большая часть сердечника находится в катушке, тем с большей силой он втягивается. Т.о. вращающий момент зависит не только от положения сердечника. ЭМИМ потребляет относит. большую мощность от вида измерений. Чувствительность хуже, чем у МЭИМ, погрешность больше.
|
16. Электродинамические измерительные механизмы (ЭДИМ). 1 – двухсекционная неподвижная катушка. 2 – подвижная катушка, установленная соосно с неподвижной. 3 – спиральная пружина. Измеряемый ток подается на рамку. Вращ. момент возникает в результате взаимодействия магн. полей, его величина зависит как от тока, протекающего через подвижную катушку, так и через неподвижную. И при вращении этом пропорционален произведению обоих токов. Если один из измеряемых токов будет пропорционален напряжению, то вращающий момент и угол поворота подвижной части будет пропорционален произведению тока и напряжения, т.е. электрической мощности. Это дает возможность использования механизма в Ваттметрах и фазометрах. Шкала нелинейна. Чувствительность относительно невысокая. ЭДИМ чувствителен к влиянию внешних ЭМ полей, т.к. собственные поля не велики и нуждаются в экранировании.
|
17. Ферродинамический измерительный механизм (ФДИМ). 1 – магнитный провод. 2 – неподвижная катушка на магнито-проводе. 3 – подвижная катушка. Принцип действия аналогичен действию МЭИМ. В отличие от него одно из магн. полей создается не постоянным магнитом, а неподвижной катушкой. Ток на неподвижную катушку подается от независимого источника. Измеряемый ток подается на подвижную катушку. Особенность ФДИМ - большой создаваемый вращ. момент, что позволяет использовать механизм в самописцах. ФДИМ может измерять только постоянные токи и напряжения, метрологические характеристики невысокие. Погрешности значительные, обусловлены нестабильностью напряжения источника питания.
|
18. Электростатический измерительный механизм (ЭСИМ). 1 –неподвижная пластина, 2 – подвижная. Подвижные пластины размещены соосно с неподвижными. Принцип действия основан на взаимодействии эл. полей разноименно-заряженных пластин. Измеряемое напряжение прикладывается между пластинами, при этом под действием возникающего электростатического взаимодействия неподвижные пластины поворачиваются на оси и втягиваются внутрь пакета неподвижных. Хар-ка преобразований – нелинейная, т.к. чем большая часть пластинки введена внутрь пакета, тем большая сила на них воздействует. Шкала неравномерная. Чувствительность невысокая. Механизм может использоваться для измерения только напряжений, только постоянных и только больших. При эом потребляет пренебрежимо малую мощности от измеряемой цепи.
|
19. Индукционный измерительный механизм (ИИМ). 1 – диск из проводящего материала, 2 – магнито-провод с катушкой, 3 – спиральная пружина. Принцип действия основан на вз_действии магн. поля катушки с измеряемым током и магн. полей, индуцированых вихревыми токами созданными в диске магнитным полем катушки. В зависимости от числа магн. потоков механизмы делятся на единопоточные и многопоточные. На рисунке – однопоточный. При протекании через катушку переменного измеряемого тока магнитное поле катушки пронизывает диск из проводящего, но не магнитного материала. В диске индуцируются вихревые токи, их магнитное поле взаимодействует с полем катушки, в результате чего диск поворач., закручивая спиральную пружину, при этом величина создаваемого вращающего момента пропорциональна току. Каждая катушка создает свой магн. поток и индуцирует свои вихревые токи в диске. Результирующий вращ. момент, создаваемый обеими катушками пропорционален произведению протекающих через катушки токов. Противодействующий момент создается постоянным магнитом, поле которого также взаимодействует с наводимыми вихревыми потоками при вращении дисков. ИИМ работает только на переменных токах, используется в счетчиках электрической энергии.
|
20. Способы измерения переменных напряжений и токов магнитоэлектрическими измерительными механизмами (МЭИМ). Условные обозначения на шкалах приборов. Из всех ИМ наибольшей чувствительностью и умеренным потреблением мощности измеряемой цепи отлич. МЭИМ. Еще их достоинство – линейная характеристика преобразования. Чтобы использовать МЭИМ для измерения переменных токов и напряжений они используются с соответственными преобразователями. Преобразователи м.б. выпрямительные (+ большой диапазон измерений, линейная хар-ка преобразования, - нельзя измерять малых напряжений из-за аддитивных погрешностей на pn переходах) или термоэлектрические. Термоэл. преобразователь содержит нагрев. элемент и термопару. Т нагр. элемента, однозначно зависит от протекающего по ней тока, а ЭДС термопары от Т. Диапазон измерений незначительный, потребляемая мощность велика, характеристика преобразования не линейная. + может использоваться для измерения малых напряжений и широкий диапазон частот. Условные обозначения: 1) МЭИМ 2) ЭМИМ 3) ЭДИМ 4) ФДИМ 5) ЭСИМ 6)электростатический индукционный, 7)класс точности, 8)допускаемая относительная погрешность, 9) напряжение (в киловольтах), которое выдерживает изоляция прибора от пробоя на корпусе, 10) рабочее положение вертикальное, 11) горизонтальное, 12) перед использованием прибора изучить инструкцию, 13) МЭИМ с выпрямителем, 14) МЭИМ с термопреобразованием. |
21. Классификация и характеристики электронных вольтметров. Электронные вольтметры чаще всего делятся: - по назначению: пост. и перем. тока, импульсные, фазочувствительные, селективные, универсальные. - по типу отсчетного устройства: аналоговые (возможность контроля постоянства, более высокая скорость считывания показаний) и цифровые (высокой точностью), - по методу измерения: прямого сравнения с мерой и компенсационного. - по измеряемым параметрам напряжения: амплитудные, среднеквадратич. значения, - по частотному диапазону: НЧ, ВЧ, широкодиапазонные. При измерении U=I напряжений постоянного тока, определяют его значение. При измерении напряжений переменного тока находят значение какого-либо его параметра – пиковое (наибольшее мгновенное значение напряжения за время измерения или за период), среднее (постоянная составляющая U0=1/T∙⌠0TU(t)dt), средне-выпрямленное (среднее значение модуля напряжения: UСВ=1/T∙⌠0T|U(t)|dt) или среднеквадратическое (U=√(1/T)∙⌠0TU2(t)dt). Связь между пиковым, средневыпрямленным и среднеквадратичным знаением напряжения данной формы устанавливается при помощи коэффициента амплитуды: Кп=Um/U и коэф. формы кривой: Кф=U/UСВ. Для напряжений синусоидальной формы коэффициент амплитуды =√2, коэффициент формы 2√2/π.
25. Измерение частоты методом дискретного счета. Этим методом производится измерение средней частоты периодического сигнала – метод заключается в прямом сравнении значения измеряемой частоты с дискретным значением образцовой частоты, воспроизводимой мерой. Для измерения частоты необходимо сформировать стробирующий импульс (временные ворота, длительность которых равна периоду сигнала образцовой частоты. 2) заполнить временные ворота импульсами, следующими с искомой частотой. 3) сосчитать число импульсов, попадающих в ворота. Для измерения частоты непрерывного периодического сигнала достаточно преобразовать исследуемый сигнал в периодическую последовательность коротких импульсов, моменты появления которых соответствуют моментам перехода sin-го сигнала через нулевой уровень с производной одного и того же знака. Структурная схема цифрового частомера на рисунке. Периодический сигнал, частоту которого надо измерить после усиления или ослабления во Входном Блоке. Формирователь, Ключ, Счетчик, Отсчетное Устройство, Кварцевый Генератор, Делитель Частоты, Блок Управления. При измерении частоты сигнала методом дискретного счета имеет место погрешность меры и погрешность сравнения. Погрешность меры определяется нестабильностью частоты КГ. Погрешность сравнения главным образом определяется погрешностью дискретности, обусловленной тем, что фронт и срез стробирующего импульса не синхронизируется с моментами появления заполняющих стробирующих импульсов продалевающих последовательность сформированную из следуемого сигнала. Максимальное значение абсолютной погрешности дискретности составляет ±1 дискретизации, что соответствует единице младшего разряда счета.
|
22. Структурные схемы и особенности электронных вольтметров. Вольтметры постоянного тока строят на основе усилителей с непосредственной связью или усилителей с преобразованием спектра. 1) --[ВБ]-->[УПТ]-->[ИП], 2) --[ВБ]-->[M]-->[У~T]-->[Д]-->[ИП]. ВБ – входной блок, УПТ – усилитель постоянного тока, ИП – измерительный прибор, М – модулятор, У~T – усилитель переменного тока, Д – демодулятор. В 1 структуре происходит непосредственное усиление постоянного напряжения и его индикации на измерительном приборе. Во 2 структуре измеряется напряжение в модуляторе из постоянного преобразуется в переменное, затем переменное усиливается, затем опять преобразуется в постоянное и показывается на измерительном приборе. По схеме с преобразованием, отличается высокой чувствительностью. Вольтметры переменного тока выполняются по одной из следующих схем. 1) –[ВБ]-->[Д]-->[УПТ]-->[ИП], 2) –[ВБ]-->[У~T]-->[Д]-->[ИП]. В схеме 1 измеряемое переменное напряжение сначало преобразуется в постоянное, затем усиливается в УПТ, индуцируется на ИП. Вольтметры, построенные по этой схеме имеют очень широкий диапазон частот, недостаток – невозможность измерения малых напряжений или большая аддитивная погрешность при измерении малых напряжений из-за падения напряжения на p-n переходах. Вольтметры, построенные по 2-ой структуре – усиливается сразу переменное напряжение и выпрямление осуществляется после усиления. Такие вольтметры отличаются высокой чувствительностью и могут измерять напряжение десятки микровольт, но их диапазон рабочих частот ограничен полосой пропускания УПТ.
26. Универсальный мост для измерения R,L,C. Основной частью прибора является измерительный мост, 4 плеча которого образованы линиями z1,z2,z3,z4. Одна из которых является измеряемой. К входной диаграмме моста подключается источник питания, к другой индикация нуля (баланс). При балансе моста, который достигается регулированием известных сопротивлений и определяется по отсутствию напряжения в измерительной диагонали, выполняется равенство z1z3=z2z4 из которого находится измеряемая величина. При измерении сопротивлений резисторов плечи моста представляют собой активное сопротивление. При измерении индуктивностей, емкостей 2 из 4 плечей моста являются комплексными. Мост питается от генератора переменного тока или постоянным током при определении сопротивлений резисторов. |
23. Цифровой вольтметр с время-импульсным преобразованием. Погрешности. Принцип действия в том, что измеряемое напряжение предварительно преобразуется во временной интервал длительность которого пропорциональна напряжению, затем этот интервал измеряется. Структурная схема на рисунке. – Генератор Импульсов Счета, - Ключ, - Счетчик, - Отсчетное Устройство, - Генератор Линейно Изменяющегося Напряжения, - Сравнивающее Устройство, Блок Управления. При запуске прибора старт-импульсом в момент времени t, сигналом с БУ открывается ключ и запускается ГЛИН. Uk на выходе ГЛИН начинает изменяться по линейному закону, а на вход счетчика через открытый ключ подаются квантующие импульсы ГИСЧ. В СУ происходит сравнение измеряемого Ux с Uk, подаваемого с ГЛИН. Как только измеряемое напряжение сравнивается с линейно нарастающим СУ выдает сигнал, по которому БУ закрывает ключ и счетные импульсы в счетчик больше не поступают. Т.о. за интервал времени tх=t2-t1 на вход счетчика пройдет число импульсов N=Uxf0/k, где k – коэффициент, характеризующий скорость изменения Uk. Составляющие погрешности приборов: 1) погрешность квантования. 2) погрешность от нестабильности частоты генератора импульсов счета. 3) погрешность от наличия порога срабатывания сравнивающего устройства. 4) Погрешность от нелинейности и нестабильности линейно изменяющегося напряжения.
27. Измерение C,L генераторным методом. Известно, что резонансная частота контура, а также частота LC-генератора определяется по формуле ω=1/√(LC). Приведенное отношение используется для определение емкости. Измерительными элементами могут служить резонансные контуры, LC-генераторы. Индуктор Нулевых Биений, СМеситель. При включении в частото-задающий контур Г2, измеряемой емкости Сх, частота его изменится. Частота генератора Г2 измеряется путем сравнения с частотой генератора Г1. Сигналы с обоих генераторов подаются в СМ, на выходе которого имеется множество комбинационных частот в том числе и разностная. Если разность =0 – частоты генераторов одинаковы. Измерение емкостей: первоначально измеряемая Cx отключена, регулировкой емкости С0 достиг. равенство частот на выходе обоих генераторов, при этом выполняется соотношение 1/√(L1C1)=1/√(L2(C2-C0)) и L1C1=L2(C2+C3). Затем в контур Г2 включается измеряемая емкость, его частота изменяется, затем вновь регулировкой С0 устанавливается равенство частот обоих генераторов. Выполняется соотношение L1(C1+Cx)=L2(C2+C0+∆C0). Из этого соотношения следует, что Cx=∆C0. Аналогично производят измерение индуктивности.
|
24. Вольтметр поразрядного уравновешивания. Принцип действия – сравнивание измеряемого напряжения с рядом образцов напряжений, значения которых различаются по определенному закону. Число соотв. набору образцовых напряжений, которые компенсируют измеряемое напряжение. Схема на рисунке. Входной Блок, Сравнивающее Устройство, Цифро-Аналоговый Преобразователь, Устройство Управления, Отсчетное Устройство. С выхода ВБ напряжение подается на СУ, на 2-ой вход СУ подается ЦАП. СУ в зависимости от знака разности Ux-Uk подает соответствующий сигнал в УУ. УУ увеличивает числовое значение кода на входе ЦАП. Т.о. напряжение УК будет изменяться ступеньками в соответствии с выбранным кодом до тех пор, пока не будет достигнуто равенство напряжений. Составляющие погрешности вольтметров: 1) погрешность квантования, 2) погрешность из-за нелинейности характеристики преобразования ЦАП,3) погрешность из-за наличия порога срабатывания СУ.
28. Измерение L,C контурным методом. Известно, что резонансная частота контура, а также частота LC-генератора определяется по формуле ω=1/√(LC). Приведенное отношение используется для определение емкости. Измерительными элементами могут служить резонансные контуры, LC-генераторы. Основной частью схемы является резонансный контур. Измерение производится следующим образом –первоначальное измерение – емкость Сх отключена, регулировкой С0 достигается резонанс в контуре, факт наличия которого определяется по максимуму тока в цепи (максимальные показания амперметра). Затем в контур включается измеряемая емкость Сх. Регулировкой С0 контур вновь настраивается в резонанс. При этом для восстановления резонанса значение С0 необходимо перестроить ∆C=Cx.
|
29. Классификация преобразователей неэлектрич. величин. Назначение и общие сведения. Классификация по признакам: 1) по назначению или виду измеряемой величины: преобразователи перемещений, скоростей, ускорений, силы и др. 2) по принципу действия или испольуемому физическому явлению: резистивные, индуктивные, емкостные, оптические, аккустические, на эффекте Холла, Допплера и др.
|
30. Резистивные преобразователи перемещений и скоростей. +: простота конструкции, линейная хар-ка преобразований, широкий диапазон измерений. -: ухудшение при износе/загрязнении, ограничение по областям применения из-за наличия искрящего подвижного контакта. На основе резистивного преобразователя перемещений строятся преобразователи скоростей, поэтому для получения эл. сигнала, пропорц. скорости перемещения достаточно продифференцировать выходной сигнал преобразователя перемещения.
|
31. Емкостные и и трансформаторные преобразователи перемещений. Трансформаторные преобразователи перемещений состоят и: 2) первичная обмотка, 1) магнитопровод, 3) вторичная обмотка, 4) подвижный сердечник, Ф – магн. поток В зависимости от положения сердечника изменяется количество задействованных витков вторичной (измерительной) обмотки. Чем меньше витков используется тем меньше Uвых. Хар-ка преобразования линейная, искровзрывобезопасен. Емкостные преобразователи перемещений строятся на основе конденсаторов с подвижными пластинами или подвижным диэлектриком. 1) линейная хар-ка преобразования 2) высокая чувствит, малый диапазон измерений 2) высокая чувствит., погрешность чем у 2, что обусловлено временной и температурной нестабильностью параметров диэлектрика.
|
32. Преобразователи угловых скоростей. Преобразователи с вращающимся постоянным магнитом. При его вращении в зазорах магнитопровода изменяется магн. поток, из-за чего в измерительной обмотке индуцируется ЭДС, причем от числа оборотов зависит амплитуда и частота выходного напряжения это информативные параметры. Измерение амплитудного или действующего значения напряжения осущ. технически проще. Однако, если объект измерения с преобразователем значительно удален и передача информации производится по достаточно длинной линии связи, то вкач-вн информативного параметра нужно выбирать частоту, из-за падения напряжения на линии связи. +: нет источника питания -: нельзя мерить малые скорости. Без этих недостатков конструкция с вращ. феромагнитным сердечником. Обмотка переменного возбуждения подключается к источнику переменного напряжения. В измерительной обмотке индуцируется ЭДС, с частотой = напряжению питания, а амплитуда зависит от положения сердечника в зазоре. Информативный параметр – частота огибающей.
|