ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА
.pdfИНФОРМАЦИОННО ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА
Lekcija_1
Lekcija_2
Lekcija_3
Lekcija_4
Lekcija_5
Lekcija_6
Lekcija_7
Lekcija_8
Лекция 1. Общие сведения об электрических измерениях.
Измерение – процесс, заключающийся в определение значения физической величины с помощью специальных технических средств.
Результат измерения – некоторое число, принятое для данной физической величины единиц, дающее количественную (измерительную) информацию о свойствах измеряемой физической величины.
Основное уравнение измерения имеет следующий вид:
Х=АхХе ,
Где Х – символ, обозначающий ФВ; Ах – числовое значение ФВ при выбранной единице Хе ее измерения.
Различают истинное и действительное значения ФВ. Истинное значение ФВ – значение, идеально отражающее в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство данного физического объекта.
Действительное значение ФВ – значение, определенное экспериментально и настолько приближенное к истинному, что может быть использовано вместо него.
Для осуществления измерений необходимо воспроизвести единицу ФВ, сравнить с ней измеряемое значение, зафиксировать результаты сравнения и оценить погрешность измерения.
Единство измерений - характеристика качества измерений, заключающаяся
втом, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых
вустановленных пределах равны размерам воспроизведенных величин, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы.
Погрешность измерений - это отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины.
Точность измерений отражает близость результатов измерений к истинному значению измеряемой величины.
Виды средств измерений
Средства измерений – это техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие и (или) хранящие единицу ФВ, размер которой принимается неизменным ( в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.
Приборы или вещества, не имеющие нормированных МХ, называют
индикаторами.
Виды средств измерений
1.По степени универсальности:
•Специализированные.
•Универсальные.
2. По виду оценки параметров:
•Допусковые (пороговые).
•Измерительные.
•Комбинированные.
3.По назначению:
•Диагностические.
•Прогнозирующие.
•Контрольные.
•Испытательные.
4.По измеряемым величинам:
•Механические.
•Гидравлические.
•Пневматические.
•Акустические.
•Электрические.
•Электронные.
•Комбинированные.
5.По РМГ 29-99:
•Измерительные системы.
•Измерительные установки.
•Измерительные приборы.
•Измерительные преобразователи.
6.По связи с объектом:
•Внешние: - Контактные. - Бесконтактные.
•Встроенные.
7.По режиму работы:
•Динамические.
•Статистические.
8.По характеру использования:
•Лабораторные.
•Технические.
9.По виду регистрации сигнала:
•Показывающие.
•Регистрирующие.
•Самописцы.
•Печатающие.
10.По виду выходного сигнала:
•Аналоговые.
•Цифровые.
•Аналого-цифровые.
11.По степени автоматизации:
•Неавтоматизированные.
•Автоматизированные.
•Автоматические.
12. По виду преобразования сигнала:
•Прямого действия.
•Сравнения.
•Интегрирующие (суммирующие).
•Измерительные преобразователи.
13. По виду приёмо-передачи информации:
•Одноканальные (однопредельные).
2
•Многоканальные (многопредельные).
14.По виду шкалы:
•С равномерной шкалой.
•С неравномерной шкалой.
•С нулевой отметкой внутри шкалы.
•С нулевой отметкой на краю или вне шкалы.
15.По поверочной схеме:
•Рабочие.
•Образцовые.
•Рабочие эталоны.
Меры - это СИ, воспроизводящие или хранящие ФВ заданного размера. Меры могут быть однозначными, воспроизводящими одно значение ФВ (гиря, образцы твёрдости, шероховатости, катушка сопротивления, нормальный элемент, воспроизводящий значения ЭДС), и многозначными - для воспроизведения плавно или дискретно ряда значений одной и той же ФВ (измерительный конденсатор переменной ёмкости, магазин емкостей, индуктивности, сопротивления).
Измерения методом сравнения с мерой выполняют с помощью – компараторов (равноплечные весы, измерительный мост).
Измерительные преобразователи – СИ, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Это термопары, измерительные трансформаторы, преобразователи давления. Не следует отождествлять измерительные преобразователи с преобразовательными элементами. Последние не имеют метрологических характеристик, как, например трансформатор тока или напряжения.
Измерительный прибор – СИ, предназначенное для переработки сигнала измерительной информации в другие, доступные для непосредственного восприятия наблюдателем формы. Различают приборы прямого действия (амперметры, вольтметры, манометры) и приборы сравнения (компараторы). По способу отсчёта измеряемой величины СИ делятся на показывающие (аналоговые, цифровые), регистрирующие (на бумажную или магнитную ленту). Измерительная установка – совокупность функционально объединенных СИ и вспомогательных устройств, расположенных в одном месте. Например, поверочные установки.
Измерительная система – это комплекс СИ и вспомогательных устройств с компонентами связи, предназначенный для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления. Частным случаем измерительной системы является информационно-вычислительный комплекс (ИВК), информационно-измерительные системы (ИИС).
Виды измерений
1) По способу нахождения числового значения ФВ.: прямые, косвенные, совокупные и совместные.
Наиболее часто используются прямые измерения, состоящие в том, что искомое значение величины находят из опытных данных путем экспериментального сравнения. Например, длину измеряют непосредственно линейкой, температуру – термометром.
3
Уравнение прямого измерения: у = С х, где С – цена деления СИ. Если искомое значение величины находят на основании известной
зависимости между этой величиной и величинами, найденными прямыми измерениями, то эти измерения называют косвенные. Например, полную мощность можно найти – путем умножения величины силы тока на величину падения напряжения.
Совокупные измерения осуществляются путем одновременного измерения нескольких одноименных величин, при которых искомое значение находят решением системы уравнений, получаемых в результате прямых измерений различных сочетаний этих величин. При определении взаимоиндуктивности катушки М, например, используют два метода: сложения и вычитания полей. Если индуктивность одной из них L1, а другой - L2, то находят L01=L1+L2+2M и
L01=L1+L2-2M. Откуда М=(L01-L02)/4.
Совместными называют производимые одновременно (прямые и косвенные) измерения двух или нескольких неодноименных величин. Например, измерения сопротивления Rt проводника при фиксированной температуре по формуле:
Rt = R0(1 + αΔt),
Где R0 и α - сопротивление при известной температуре t0 (обычно 20 0С) и температурный коэффициент – величины постоянные, измеренные косвенным методом; t = t – t0 – разность температур; t – заданное значение температуры, измеряемое прямым методом.
2) По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения: статические и динамические.
Статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени и в процессе измерения.
Динамические, при которых измеряемая величина изменяется в процессе измерения и является не постоянной во времени.
Основные характеристики средств измерений.
Нормальные метрологические характеристики (НМХ) устанавливаются документами. МХ, определённые документами, считаются действительными. На практике наиболее распространены следующие МХ СИ.
Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые пределы погрешности СИ (для преобразователей это диапазон преобразования).
Предел измерения – наибольшее или наименьшее значение диапазона измерения. Для мер – это номинальное значение воспроизводимой величины. Пример: если у шкалы начальный участок сжат (0-10), поэтому производить отсчёты по нему не удобно. Тогда предел измерения по шкале составляет 60 ед., а
диапазон – 10…60 ед. |
|
|
|
|
||
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
Цена деления шкалы – разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Приборы с равномерной шкалой имеют постоянную цену деления, а с неравномерной – переменную. В этом случае нормируется минимальная цена деления.
Чувствительность – отношение изменения сигнала у на выходе СИ к вызвавшему это изменение изменению х сигнала на входе
S = у / х
4
Чувствительность нельзя отождествлять с порогом чувствительности – наименьшим значением измеряемой величины, вызывающим заметное изменение показаний прибора.
Величину, обратную чувствительности, называют постоянной прибора С = 1 / S. Как правило постоянная прибора С равна цене деления.
Вариация (гистерезис) – разность между показаниями СИ в данной точке диапазона измерения при возрастании и убывании измерений величины и неизменных внешних условиях:
H = xB − xy ,
Где xB, xy – значения измерений образцовыми СИ при возрастании и убывании величины x.
Основная МХ СИ – погрешность СИ – есть разность между показаниями СИ и истинными (действительными) значениями ФВ.
Электрический сигнал и его параметры
Основная цель измерений – количественная оценка значения ФВ в принятых для нее единицах.
Сигнал измерительной информации – сигнал, функционально связанный с измеряемой ФВ и несущий информацию о ее значении.
Перед началом измерения необходимо классифицировать параметры или характеристики измеряемой величины, приблизительно определить порядок ее значения, характер изменения, мощность объекта измерения и др.
По характеру изменения электрический сигнал может быть детерминированным и случайным.
Детерминированный сигнал – сигнал, заданный в виде некоторой определенной функции времени, т. е. сигнал, мгновенные значения которого в любой момент времени известны. Этот сигнал может быть непрерывным по значению (в заданном диапазоне изменения имеет бесконечное число значений) и дискретным (в заданном диапазоне изменения имеет ограниченное число значений).
Непрерывный по значению сигнал может изменяться во времени либо непрерывно, либо дискретно. Детерминированные сигналы, изменяющиеся во времени непрерывно, делят на периодические и не пе-
риодические. Периодические детерминированные сигналы – сигналы,
для которых выполняется условие f(t)=f(t+T), т.е. мгновенные значения сигнала повторяются через равные промежутки времени Т.
U
UM+ Up
T |
UM- |
t |
|
||
5 |
|
Рис. 1
На рис. 1 представлен несинусоидальный разнополярный периодический сигнал – напряжение (ток), характеристиками которого являются: u (t) – значение сигнала в заданный момент времени; UM+ и UM- - пиковые значения сигнала – наибольшее мгновенное значение положительной полуволны и наименьшее мгновенное значение отри-
цательной полуволны сигнала. Up – сумма модулей пиковых значений
UM+ и UM-.
Средним значением сигнала за период является его постоянная составляющая:
1 T
Ucp = T ∫0 u(t)dt =U0
Средневыпрямленным значением сигнала за период является среднее значение модуля сигнала:
1 T
Ucp. = T ∫0 u(t)dt
(для сигналов, симметричных относительно оси времени)
Среднеквадратичное значение сигнала за период (время изме-
рения)
U = |
1 |
T∫u2 (t)dt |
|
||
|
T 0 |
|
Для синусоидального сигнала среднеквадратичное значение на-
зывают действующим (эффективным) значением сигнала.
Спектр частот электрического сигнала можно условно разделить на диапа-
зоны: инфранизкие (ниже 20 Гц); низкие (до 20 кГц – звуковые, до 200 кГц – ультразвуковые); высокие (200 кГц – 30 МГц); ультравысокие (30 – 300 МГц);
сверхвысокие (выше 300 МГц).
Импульсные сигналы – детерминированные сигналы конечной энергии, существенно отличные от нуля в течении ограниченного интервала времени.
Импульсные сигналы разделяют на видеоимпульсы и радиоимпульсы.
6
Видеоимпульсы – однополярные импульсы тока или напряжения, которые могут быть положительной и отрицательной полярности относительно определенного уровня, принятого за нулевой.
Радиоимпульсы – серия высокочастотных колебаний, образуемая при воздействии видеоимпульсов на колебания высокой частоты.
Видеоимпульсы бывают различной формы (прямоугольной, треугольной, трапециидальной, пилообразной, и др.), полярности амплитуды и частоты следования. Наиболее часто в практике встречаются прямоугольные импульсы – импульсы у которых длительность плоской части вершины составляет не менее 0,7 от длительности импульса tИ, отсчитываемой на уровне 0,5 амплитуды UМ.
Рис. 2 Основные параметры прямоугольного импульса
На рис.2 tФ – длительность фронта, или время нарастания импульса в интервале 0,1 – 0, 9 амплитуды UМ; tc – длительность среза или время спада, в интервале 0,9 – 0,1 амплитуды UМ; b1, b2 – выброс на вершине и на срезе; UМ – неравномерность вершины.
7
Лекция 2. Аналоговые электромеханические измерительные приборы.
В аналоговых электромеханических измерительных приборов непосредственной оценки электромагнитная энергия, подведенная к прибору непосредственно из измеряемой цепи, преобразуется в механическую энергию углового перемещения подвижной части относительно неподвижной.
Электромеханические измерительные приборы применяют для измерения тока, напряжения, мощности, частоты, фазовых сдвигов, сопротивлений и других электрических величин на постоянном и переменном токе преимущественно промышленной частоты 50 Гц. Эти приборы относят к приборам прямого преобразования. Они состоят из измерительной цепи, электромеханического преобразователя (измерительного механизма), отсчетного устройства.
|
|
|
|
α |
|
|
Х |
Измеритель- |
Y |
Измерительный |
Отсчетное уст- |
||
|
||||||
|
ная |
|
механизм |
|
ройство |
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 3
Измерительная цепь прибора обеспечивает преобразование электрической измеряемой величины Х в некоторую промежуточную электрическую величину Y (ток или напряжение), функционально связанную с измеряемой величиной Х. Величина Y непосредственно воздействует на измерительный механизм.
В з а в и с и м о с т и о т х а р а к т е р а п р е о б р а з о в а н и я измерительная цепь может представлять собой совокупность преобразовательных элементов (резисторов, конденсаторов, выпрямителей, термопар и т.д.).
Измерительный механизм, являясь основной частью конструкции прибора, преобразует электромагнитную энергию в механическую энергию, необходимую для угла отклонения α его подвижной части относительно неподвижной, т.е. α=f(Y)=F(X).
В з а в и с и м о с т и о т с п о с о б а п р е о б р а з о в а н и я электромагнитной энергии в механическое угловое перемещение подвижной части измерительного механизма приборы делят на магнитоэлектрические, электромагнитные, ферродинамические, электромагнитные, электростатические и др.
Отсчетное устройство аналоговых электромеханических приборов чаще всего состоит из указателя, жестко связанного с подвижной частью измерительного механизма, и неподвижной шкалы. Шкала представляет собой совокупность отметок, которые расположены вдоль какой-либо линии и изображают ряд последовательных чисел, соответствующих значениям измеряемой величины. Отметки имеют вид штрихов, черточек, точек и т.п. Указатели бывают стрелочные (механические) и световые.
П о н а ч е р т а н и ю шкалы бывают прямолинейные (горизонтальные или вертикальные), дуговые (при дуге до 180 0 включительно) и круговые (при дуге более 1800 ).
П о х а р а к т е р у р а с п о л о ж е н и я о т м е т о к различают шкалы равномерные и неравномерные, односторонние относительно нуля, двусторонние и безнулевые. Шкалы градуируются в единицах измеряемой величины, либо в делениях.
Узлы и детали измерительных механизмов.
Для большинства электромеханических измерительных приборов, несмотря на разнообразие измерительных механизмов, можно выделить общие узлы и детали – устройства для установки подвижной части измерительного механизма, создания противодействующего момента, уравновешивания, успокоители, арретир, корректор и др.
Устройства для установки подвижной части измерительного механизма: растяжки, опоры, подвес.
П р и у с т а н о в к е п о д в и ж н о й ч а с т и и з м е р и т е л ь н о г о
ме х а н и з м а н а о п о р а х последние представляют собой легкую алюминиевую трубку, в которую запрессовывают керны. Концы кернов затачивают и шлифуют на конус с закруглением. Опираются керны на агатовые или корундовые подпятники. При установке подвижной части измерительного механизма на кернах между керном и подпятником возникает трение, что вносит погрешность в показания прибора.
Ус т а н о в к а п о д в и ж н о й ч а с т и и з м е р и т е л ь н о г о
ме х а н и з м а н а р а с т я ж к а х наиболее распространена в приборах. Растяжки представляют собой две тонкие ленты из бронзового сплава, на которых подвешивается подвижная часть измерительного механизма. Их наличие обеспечивает отсутствие трения в опорах, облегчает подвижную систему, повышает виброустойчивость. Растяжки используются также для подведения тока к обмотке рамки и создания противодействующего момента.
2