2. Погрешности контактных методов измерения температур.

Измеренная и измеряемая температура.

При выборе средств измерения в зависимости от их метрологических и динамических характеристик должен стоять вопрос о минимальном и максимальном значениях измеряемой температуры, а следовательно, и о выборе шкалы прибора или диапазона преобразования нормирующего преобразователя.

 В чём принципиальная причина методических погрешностей контактных методов измерения температур?

Методическая погрешность измерения температуры возникает из-за несовершенства принятого метода измерения: неточность выполнения измерения; допущения, принятые при разработке математической модели измерения; неизученность взаимодействия СИ с объектом измерения; режим применения СИ .

Контактные методы измерения температуры основаны на том, что ЧЭ ИПТ находится в условии термодинамического равновесия с исследуемым объектом. Несоблюдение этого принципа ведёт к появлению методической погрешности.

 Примеры методических погрешностей (5-7).

1. Нарушение температурного поля объекта, т.е. ИПТ является инородным телом, искажая температурное поле; 2. Теплоотвод по линии связи, в результате чего из-за теплопередачи между ЧЭ и объектом возникает разность температур; 3. Теплообмен ИПТ с окружающей средой или с элементами объекта; 4. Лучистый теплообмен с окружающими телами; 5. Влияние нетепловых источников; 6. Влияние внутренних источников теплоты; 7. Запаздывание показаний ИПТ, вызванных тепловой инерцией ИПТ и термическим сопротивлением между ЧЭ и объектом.

Принципиальный подход к устранению или уменьшению методических погрешностей.

Необходим качественный подход с целью выявления тепловых воздействий, от которых зависит возникновение МП, фактически необходима математическая модель ИПТ с учётом его размещении на объекте.

3. Тензорезистивные преобразователи (ТР) – метрологические характеристики.

 Динамические характеристики тензорезистров.  Чем они определяются? От чего они зависят?  Предельно допустимая частота изменения измеряемой деформации в зависимости от уровня “потери чувствительности”.  Потеря чувствительности в зависимости от соотношения базы тензорезистора и длины волны измеряемой деформации.  Что, в конечном счёте, определяет динамические свойства измерительного преобразователя с тензорезисторами?

4. Емкостные преобразователи

 Измерительные цепи с емкостными преобразователями.

1. Делители напряжения; мостовые схемы; ёмкостно-диодные схемы. Общие черты: выходной сигнал – напряжении переменного тока на несущей частоте (схемы с амплитудной модуляцией). 2. Резонансные схемы. В зависимости от реализации эти схему могут быть либо с выходом по напряжению, либо с выходом по частоте, т.е. мерой является частота (схема с частотной модуляцией сигнала).

 Схема с делителем напряжения и операционным усилителем: варианты линейного преобразования. Преимущества.

В этой схеме ёмкости экранированных проводов С_э1, С_э2 и С_э3 практически не влияют на выходной сигнал. Это связано с тем, что ёмкости С_э1 и С_э3 включены параллельно источнику сигнала переменного напряжения U_вх и выходу ОУ, которые имеют низкие выходные сопротивления. Ёмкость С_э2 включена параллельно входу ОУ, имеющему практически нулевой потенциал (т.е. напряжение на нём близко к 0). Учитывая, что , функция преобразования такого делителя линейна, если при С₁ = const, С₂ – var за счёт зазора d или при С₂ = const, С₁ – var за счёт перекрытия площадей. Данная схема применима для случая, когда все обкладки (электроды) конденсаторов отделены от корпуса.

 Мостовая схема с дифференциальным включением.

Выход моста включён к инвертирующему входу ОУ. Т.к. потенциал входа практически близок к 0, то влияние ёмкости проводов практически отсутствует. Ёмкости С_1э и С_2э включены на низкоомные индуктивные резисторы, что уменьшает их влияние. Для данной схемы справедливо отношение: .

 Ёмкостно-диодная ячейка (диодный мост).

Здесь ёмкости С₁ и С₂ подключены к источнику переменного напряжения с помощью 4х диодов Д₁, Д₂ и Д₃, Д₄ и двух дополнительных конденсаторов С и С` (С = С`). В каждом полупериоде переменного напряжения открывается соответствующая пара диодов. U_s – амплитуда напряжения переменного тока. При этом каждый из конденсаторов С или С` соединяется последовательно то с ёмкость С<sub>1</sub>, то с ёмкостью С<sub>2</sub>. При неравенстве ёмкостей С<sub>1</sub> и С<sub>2</sub> токи, текущие через конденсаторы С и С` в положительном и отрицательном направлениях, будут не равны между собой. Вследствие этого на конденсаторах С и С` появится постоянное напряжение, которое является выходным. Пренебрегая падением напряжения на диодах .

 Резонансная измерительная цепь.

Генератор через разделительный транзистор питает резонансный LC – контур. Ёмкость контура состоит из ёмкости преобразователя С_пр и подстрочной ёмкости С*.При изменении ёмкости преобразователем С_пр напряжения на контуре применяется по резонансной кривой, имеющей max при f₀ = f_c. Если f_с = f₀ (частота собственных колебаний контура совпадает с частотой вынужденных колебаний генератора), то U_вых = U_max.

 Преимущества и недостатки ёмкостных преобразователей.

Преимущества: 1. Высокая чувствительность и точность преобразования; 2. Малые размеры и масса, соответственно высокие динамические свойства; 3. Практически отсутствует силовое воздействие на объект измерений; 4. Стабильность характеристики и простота эксплуатации; 5. Технологичность изготовления и простота конструкции; 6. Возможность получения требуемой функциональной зависимости между изменением ёмкости и входным перемещением; 7. Отсутствие собственных шумов и отсутствие самонагрева.

Недостатки: 1. Большое внутреннее сопротивление, что приводит к малой мощности выходного сигнала; 2. Для уменьшения внутреннего сопротивления приходится питать ЕП напряжением высокой частоты (10…1000кГц); 3. Для уменьшения влияния электромагнитных полей и паразитных ёмкостей ЕП экранируют; 4. Плохо защищён от температуры и влажности; 5. Величина ёмкости зависит от наличия вблизи металлических предметов; 6. Экранированные провода изменяют свою ёмкость при изгибах, вибрации, влажности.

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 12

1. Динамические измерения

 Понятие “динамические погрешности”  Их источники.  От чего зависят динамические погрешности?

Динамическая погрешность – разность между показаниями СИ в динамическом и статическом режимах: .

Динамическая погрешность – методическая погрешность, вызванная несоответствием СИ поставленной задаче измерения Физической величины .

Для определения динамической погрешности измерения необходимо знать: динамические характеристики средств измерения и свойства входного сигнала.

В динамическом режиме выходной сигнал изменяется во времени. Типичным примером динамического режима работы средства измерений является измерение изменяющейся во времени величины. При измерении постоянной величины динамический режим возникает при подключении средства измерений к исследуемому объекту и продолжается до тех пор, пока выходной сигнал не достигнет постоянного установившегося значения. Особенностью динамического режима является то, что, помимо перечисленных выше погрешностей, характерных для статического режима, здесь возникает погрешность, обусловленная инерционными свойствами средства измерений. Инерция (тепловая, механическая, электрическая) средства измерений приводит к тому, что выходной сигнал не сможет успевать правильно реагировать на быстрые изменения входной измеряемой величины, искажая таким образом представление о характере этих изменений. Погрешность, обусловленную инерционными свойствами, называют динамической погрешностью и определяют ее как разность между погрешностью в динамическом режиме и статической погрешностью, соответ­ствующей значению измеряемой величины в данный момент времени.

 Что называется “динамическими характеристиками” СИ?  Перечислите основные динамические характеристики СИ.

К метрологическим характеристикам средства измерений относятся динамические характеристики, т. е. характеристики инерционных свойств средства, определяющие зависимость выходного сигнала средства измерений от меняющихся во времени величин: параметров входного сигнала, внешних влияющих величин, нагрузки. Динамические свойства средства измерений определяют динамическую погрешность. В зависимости от полноты описания динамических свойств средств измерений раз­личают полные и частные динамические характеристики.

Полная динамическая характеристика — характеристика, однозначно определяющая изменения выходного сигнала средства измерений при любом изменении во бремени информативного или неинформативного параметра входного сигнала, влияющей величины или нагрузки.

К полным динамическим характеристикам относят переходную характеристику, импульсную переходную характеристику, амплитудно-фазовую характеристику, совокупность амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик, передаточную функцию.

Частная динамическая характеристика не отражает полностью динамических свойств средства измерений. К частным динамическим характеристикам аналоговых средств измерений, которые можно рассматривать как линейные, относят любые функционалы или параметры полных динамических характеристик.

 Каким образом можно определить динамические свойства линейных СИ?

Динамические свойства линейных СИ однозначно определяются её отличности на один из видов стандартных входных воздействий. Динамические свойства СИ может быть определены по его реакции на некоторые стандартизированные входные воздействия.

2. Измерение термоЭДС (ТЭДС)

 Нормирующий измерительный преобразователь (НИП) для термопар на базе усилителя тока с отрицательной обратной связью. Его назначение и принцип его действия. Докажите, что ЭДС термопары прямо пропорциональна току на выходе НИП.

В этом случае уравновешиванию (компенсации) подлежит разность ЭДС ТЭП и напряжению обратной связи (U_ос).

 Схема с усилителем переменного тока (блок БГРД). Понятия модуляции и демодуляции сигнала.  Принцип действия схемы с усилителем переменного тока и его основные элементы. Преимущества и недостатки.

Применение усилителя переменного тока позволяет: 1. Уменьшить аддитивную погрешность на входе; 2. Уменьшить влияние внешних наводок (низкочастот.); 3. Увеличить расстояние передачи сигнала информации; 4. Осуществить гальваническую развязку входной и выходной цепей.

Принцип работы усилителя переменного тока заключается в модуляции исходного сигнала. Модуляция – изменение во времени параметра сигнала-носителя в соответствии с передаваемой информацией. Амплитудная модуляция (где параметр – амплитуда, а сигнал-носитель – частота переменного тока). При этом изменение амплитуды исходного сигнала должно быть сравнительно медленным во времени по сравнению с частотой.

3. Тензорезистивные преобразователи (ТР) – метрологические характеристики

 Какой показатель характеризует несовершенство упругих свойств связующего? Как он называется и как определяется? От чего он зависит?

Несовершенство связующего приводит к изменению во времени деформации, передаваемой к чувствительному элементу (и, следовательно, к такому же изменению выходного сигнала ТР). Последний проявляется в виде асимитотически затухающего процесса изменения R при постоянной деформации объекта, независимо от её знака (+ или – ) при фиксированных значениях влияющих величин. Оценивается при ε = 1000 е.о.д. , где Δε_τ – абсолютное изменение ε за время τ; ε – первоначальная относительная деформация. Ползучесть связана с не идеальностью упругих характеристик основы и связующего.

 Механический гистерезис и нелинейность характеристики ТР. Причины возникновения, оценка, погрешности, способ определения.

Механический гистерезис ТР. Связан с несовершенством упругих свойств связующего и основы. Имеет место при циклических нагружениях, особенно в пределах первых циклов δ_г = 0,5…5,0%. при одной и той же величине деформации.

Нелинейность характеристики. Несовершенство упругих свойств связующего и основы может также привести к искажению функции преобразования. Степень искажения можно оценить, считая, что при отсутствии упругих свойств связующего функция преобразования будет линейна .

4. Фотоэлектронные умножители (ФЭУ)

 Явление вторичной эмиссии. Диноды. Принцип действия ФЭУ.

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) — это вакуумный фотоэлемент, снабженный системой электродов для усиления тока фотоэмиссии. Принципиальная схема ФЭУ показана на рис. 4.45. Свет падает на фотокатод ФК, который эмитирует электроны. Поток электронов фокусируется электрическим полем, создаваемым электродом Э, формируется диафрагмой Д и направляется на ускоряющий электрод— динод Э₁. Напряжение на диноде таково, чтобы энергии фотоэлектрона было достаточно для вторичной эмиссии электронов. Режим работы таков, что при вторичной эмиссии испускается больше электронов, чем падает на динод. Так происходит усиление потока электронов. Поток электронов, усиленный динодом Э₁ направляется на следующие диноды Э₂ — Э₅, усиливается и собирается анодом А. Анодный ток ФЭУ довольно мал и требует дополнительного усиления. Для этого он преобразуется в напряжение с помощью сопротивления R_H. Питание ФЭУ производится с помощью делителя напряжения R₁ — R₈. Фотоэлектронные умножители имеют высокую чувствительность и используются для измерения очень малых световых потоков (до 10^-5 лк).

Теоретический коэффициент преобразования и коэффициент преобразования с учётом коэффициентов сбора и переноса.  Вариант схемы включения ФЭУ.

 Метрологические характеристики ФЭУ (4-5). Чем определяется реальное быстродействие ФЭУ?

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 13

1. Оценка динамических погрешностей методом единичной ступенчатой функции (ЕСФ)

Динамические свойства СИ могут быть определены по его реакции на некоторые стандартизированные входные воздействия.

 Виды переходных процессов(3). В каком случае каждый из них возникает?

Измерения нормированной выходной величины от τ называется свободным переходным процессом (ПП). При малом внутреннем трении (сопротивлении) СИ этот процесс может быть колебательным.

 Количественные оценки различных видов переходных процессов, возникающих при ЕСФ (4).

 Понятия электрической и тепловой “ёмкостей”.

Электрическая ёмкость – характеристика проводника, мера его способности накапливать электрический заряд (взаимная ёмкость между двумя проводниками). Тепловая ёмкость – мера накапливать тепловую энергию, полученную через поверхность системы.

 Выражения для постоянных времени () для этих процессов (уравнения и вывод выражений).

Постоянная времени для тепловой ёмкости . Для электрической ёмкости

 Оценка динамических погрешностей результатов измерений, используя понятие постоянной времени.

θ = const при любой амплитуде входного импульса (если система линейна). За это время достигается всегда одна и та же часть сигнала относительно его конечного значения