Base

Метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их (измерений) единства, а также способов достижения требуемой точности измерений.

Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов с заданной точностью и достоверностью. Средством метрологии является совокупность измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих требуемую точность.

Измерение — нахождение значения физической величины опытным путем с применением специальных технических средств и выражением результата в принятых единицах.

Средство измерения — специальное техническое средство, обладающее нормированными метрологическими характеристиками (погрешность, класс точности…)

Физическая величина — свойство, общее в качественном отношении для многих физических объектов, процессов, явлений, но индивидуальное в количественном отношении.

Истинное значение — такое значение физической величины, которое идеальным образом отражает качественным и количественным отношением соответствующие свойства объекта.

Действительное значение — значение физической величины, наиболее близко расположенное к истинному значению и полученное с точностью, удовлетворяющей использованию данного результата.

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ БЫВАЮТ:

-Непрерывные (меняющиеся во времени постоянно)

-Дискретные (известные только на определённом интервале)

-Квазидетерминированные (величины, у которых известен закон распределения во времени, но не их параметры)

-Случайные (меняющиеся случайным образом)

Под точностью измерений понимают качество измерений, отражающее близость результатов измерений к истинному значению измеряемой величины. ∆X = Xp − Xист = Xp − Xдейств

Классификация электрических измерений

1. По роду измеряемой величины:

-собственно электрические измерения (электрических электр. методами)

-измерение неэлектр.величин электр.методами

-магнитные измерения

2. По удалению от объекта:

-объект расположен близко к приёмнику

-дистанцированные (телеизмерения)

3.По количеству измерений: - однократные

- многократные (каждое измерение – наблюдений, и нужна обработка)

4.По точности

-эталонные (очень точные)

-технические (могут быть точными или не очень)

5.По поведению измеряемой величины во времени: - статические - динамические

6.По способу снятия показаний:

-непрерывные

-дискретные

7. По способу получения результата измерения:

-прямые (величина изменяется предназначенным для неё прибором)

-совместные (проведение ряда измерений нескольких однородных величин)

-косвенные (изменяются функционально связанные с нужной величиной величины)

-совокупные (величина определяется из связывающей её с другими системы уравнений)

Средства измерений:

-эталоны (для выработки, сохранения, передачи единицы величины)

-меры (для выработки, сохранения, передачи величины определённого размера)

-измерительные приборы (для выработки сигнала измеряемой информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем)

*показывающие (только измеряют и показывают)

*регистрирующие (измеряют и фиксируют результат на бумаге, фотоплёнке, магнитной ленте…) *регулирующие (умеют подавать сигнал на включение/выключение прибора, сигнал при опасности)

-измерительные установки (несколько приборов, решающих одну задачу)

-измерительные преобразователи

*преобразователи кода в код (дискретный код 1 -> дискретный код 2) *масштабный преобразователь (аналоговый сигнал -> аналоговый сигнал х N) *АЦП (аналоговый сигнал (непрерывный) -> дискретный сигнал)

*ЦАП (дискретный сигнал -> аналоговый сигнал)

-информационно-измерительные системы (для сбора измерительной информации от многих объектов с многократным периодическим опросом этих объектов, преобразования, передачи информации)

-измерительно-вычислительные комплексы (автоматические средства измерения, обработки информации, созданные для построения систем автоматизации измерительного эксперимента)

-интеллектуальные средства измерения (обобщают знания, служат основой для экспертных систем)

Отсчётные устройства:

-шкала и указатель (электронные и электромеханические приборы)

-шкала и указатель-световое пятно (зайчик ^^)

-цифровые отсчётные устройства (дискретные) (последний разряд является недостоверным)

-устройства с экранами на ЭЛТ

-устройства с дисплеями

-аналого-дискретные устройства (напр. газоразрядная трубка)

Методы измерений:

а) методы прямого измерения б) методы сравнения (сравниваются одноимённые величины!)

-непосредственное сравнение (об измеряемой величине судят по образцовой, известной с высокой точностью)

-опосредованное сравнение (то же самое, но на входе преобразователь, делающий величины одноимёнными)

-одновременное сравнение (сравнение в одно время)

-разновременное сравнение (сравнение в разное время)

-нулевой метод (результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор доводят до 0)

-дифференциальный метод (измеряем приращение измеряемой величины относительно номинального значения)

-метод совпадения (о величине судят по совпадению отметки отметки от этой величины и от образцовой) (пример – пирометр с нагреваемой нитью)

Потенциометр постоянного тока: для высокоточного измерения постоянных напряжений и ЭДС.

Вольтметр — измерительный прибор непосредственного отсчёта для определения напряжения или ЭДС в электрических цепях. Подключается параллельно нагрузке или источнику электрической энергии. Идеальный вольтметр должен обладать бесконечно большим внутренним сопротивлением. Поэтому чем выше

внутреннее сопротивление в реальном вольтметре, тем меньше влияния оказывает прибор на измеряемый объект и, следовательно, тем выше точность и разнообразнее области применения.

Амперме́тр — прибор для измерения силы тока в амперах. Шкалу амперметров градуируют в микроамперах, миллиамперах, амперах или килоамперах в соответствии с пределами измерения прибора. В электрическую цепь амперметр включается последовательно с тем участком электрической цепи, силу тока в котором измеряют. Поэтому, чем ниже внутреннее сопротивление амперметра (в идеале — 0), тем меньше будет влияние прибора на исследуемый объект, и тем выше будет точность измерения.

Шунт — устройство, которое позволяет электрическому току (либо магнитному потоку) протекать в обход какого-либо участка схемы, обычно представляет собой низкоомный резистор, катушку или проводник. Шунтирование — процесс параллельного подсоединения электрического элемента к другому элементу, обычно с целью уменьшения итогового сопротивления цепи.

Ток Iи протекающий через измерительный механизм, связан с измеряемым током I зависимостью Iи = I (Rш / Rш + Rи), где Rи — сопротивление измерительного механизма.

Если необходимо, чтобы ток Iи был в n раз меньше тока I, то сопротивление шунта должно быть: Rш = Rи / (n - 1), где n = I / Iи — коэффициент шунтирования.

Добавочный резистор - в измерительной технике - резистор, подключаемый последовательно к электроизмерительному прибору для расширения пределов измерений электрического напряжения. Если вольтметр имеет предел измерения Uном и сопротивление измерительного механизма Rи и при помощи добавочного резистора Rд надо расширить предел измерения в n раз, то, учитывая постоянство тока Iи, протекающего через измерительный механизм вольтметра, можно записать: Uном / Rи = n U ном / (Rи + Rд) откуда Rд = Rи (n - 1)

Измерительный мост - электрическая схема или устройство для измерения электрического сопротивления. Есть мосты переменного тока, с помощью которых измеряют ёмкость, индуктивность, магнитную проницаемость. Для всех мостов характерно понятие равновесия (когда ток через нуль-индикатор = 0). Работа уравновешенных мостов (наиболее точных) основана на «нулевом методе». С помощью неуравновешенных мостов (менее точных) измеряемую величину определяют по показаниям измерительного прибора. В неавтоматических мостах балансирование производится вручную (оператором). В автоматических балансировка моста происходит с помощью сервопривода по величине и знаку напряжения между точками.

Схема прямого преобразования:

Преобразование с обратной связью:

Введение ООС уменьшает мультипликативную погрешность. Аддитивная остаётся неизменной!

∆ = ВХ − ЦОС

Астатический режим при ∆ = 0. Происходит полная компенсация ВХ = ЦОС

Статический режим ∆ ≠ 0. Происходит неполная компенсация ВХ ≠ ЦОС

АЦП преобразуют аналоговый (непрерывный) сигнал вида y(t) в y(t1), y(t2)… , т.е. осуществляет дискретизацию входного сигнала. В основу преобразования положено квантование по уровню. Ошибка (разность между аналоговой и квантованной функциями) существует и равна шагу квантования. Для уменьшения погрешности нужно уменьшить шаг квантования и/или увеличить число уровней квантования.

Электромеханические приборы. В них под действием измеряемой величины возникает электрическая энергия, которая преобразуется затем в механическую энергию подвижной части (стрелки, например). В результате получается угол поворота β или длина линейного перемещения xпер. Они довольно простые и недорогие. Примеры: Магнитоэлектрический измерительный прибор и магнитоэлектрический логометр, Электродинамический ваттметр, Индукционный счётчик энергии.

Электронные приборы. Они преобразуют электромагнитную энергию одного вида в электромагнитную энергию другого вида посредством взаимодействия электронов (движущихся в вакууме, газе или полупроводнике) с электромагнитными полями. Приборы универсальны, измеряют все величины; имеют широкий диапазон частот. Для электронного прибора сопротивление входа стремится к бесконечности (проще говоря, составляет мегаомы). Примеры: Вольтметр переменного тока, Осциллограф однолучевой.

Цифровые приборы. В соответствии со значением измеряемой величины образуют код, а затем в соответствии с кодами измеряемую величину представляют на отсчётном устройстве в цифровой форме. Достоинства: универсальность, высокая точность, возможность вывода на экран ЭВМ. Примеры: Электронный вольтметр на принципе считывания, Времяимпульсный вольтметр.

Аналого-дискретные приборы. Совмещают собой гибриды электромеханических и цифровых приборов. Схема: Индикаторное в-во <- Воздействующее поле <- Вход.

Порог чувствительности – то минимальное значение входной величины, которое может быть зарегистрировано (но не измерено) данным средством измерения без применения дополнительных средств.

Время установления – промежуток времени от момента измерения величины до момента, когда отклонение указателя не будет выходить за установленные пределы.

Погрешности:

а) по формуле (везде важен знак!)

- абсолютная ∆= изм − ист = − д (может быть больше или меньше 0)

- относительная = ∆ *100%

хист

- приведённая =	∆	*100%
	норм

б) по зависимости от измеряемой величины

-аддитивная (постоянная в каждой точке шкалы, при всех значениях входной измеряемой величины Х значения выходной величины Y изменяются на одну и ту же величину большую или меньшую от номинального значения)

-мультипликативная (линейно возрастающая или убывающая с ростом измеряемой величины, значения мультипликативных погрешностей изменяются пропорционально изменениям значений измеряемой величины, возникает из-за воздействия влияющих величин на параметрические характеристики элементов прибора)

в) по зависимости от случайных факторов

-систематическая (остаётся постоянной или меняется по некоторому закону при многократном измерении одной величины)

-случайная (меняется по случайному закону с интенсивностью, которую трудно предсказать; уменьшить никак нельзя, можно лишь учесть)

г) по зависимости от времени

-статическая (полагаем измеряемую величину неизменной во времени)

-динамическая (главный вопрос: как ведёт себя измеряемая величина во времени?)

д) по зависимости от влияющих факторов

-основная (при нормальных условиях эксплуатации – температуре, влажности, давлении, указанных в ГОСТе)

-дополнительная (при рабочих условиях)

Нормирование – это установление номинальных значений характеристик и зоны разрешённого разброса с гарантированной точностью. Нормируются все влияющие на точность измерения характеристики (погрешности, чувствительность, входной и выходной импульсы, динамические характеристики…)

Класс точности - это обобщающая характеристика, характеризующая предельные значения основной погрешности (либо основной, либо относительной, либо приведённой) и связанные с ней дополнительные погрешности. Выражается числом и выбирается из специального ряда. Обозначается буквой k.

Причины появления погрешностей:

а) методические

-несоответствие модели и объекта

-аналого-дискретные преобразования (ошибка равна шагу квантования) б) инструментальные

-погрешность самого прибора (определяется его классом точности и предельными значениями погрешностей)

-погрешность взаимодействия средства измерения с объектом измерения (например, сопротивления вольтметра должно быть ∞ высоким, но таковым не является)

в) личные особенности экспериментатора и его состояние (человеческий фактор)

г) вычислительные погрешности (ошибки) (связаны с особенностями ЭВМ и принимаемых алгоритмов расчёта) д) влияние внешних факторов (температуры, влажности, давления)

-постоянные (систематические)

-случайные (их можно только учесть, но не уменьшить)

Показатели из теории вероятностей:

а) математическое ожидание M(x) – среднее значение измеряемой величины x при большом количестве измерений n

б) дисперсия D(x) – мера разброса значений случайной величины х относительно её математического ожидания в) СКО – sqrt(D(x)) – показатель рассеивания значений случайной величины отн-но её мат. ожидания. Энтропия – неопределенность, которую мы уменьшаем, получая информацию (производя измерения). Доверительный интервал погрешности – это те значения погрешности, за которые погрешность измеряемой величины не выходит с вероятностью PД. Вероятность попадания в доверительный интервал должна быть на уровне 80-90 %.

Магнитоэлектрические приборы – электромеханические приборы, принцип действия которых основан на взаимодействии проводника с током с магнитным полем постоянного магнита M. Имеют довольно высокую чувствительность и малое собственное потребление энергии. На них не влияют электрические поля и мало влияют магнитные поля (ибо в зазоре и так имеется сильное магнитное поле). Однако они сложны, дороги и реагируют только лишь на постоянный ток. Примеры: магнитоэлектрические амперметры, вольтметры, омметры

В электродинамических измерительных механизмах для создания вращающего момента используется принцип взаимодействия проводников, по которым проходят токи, - два проводника с одинаково направленными токами взаимно притягиваются, с противоположно направленными токами - взаимно отталкиваются. Для получения противодействующего момента служат спиральные пружины, которые вместе с тем используются для подвода тока в подвижную катушку. Последняя под действием электродинамических сил стремится занять такое положение, при котором направление ее магнитного поля совпадет с направлением поля неподвижной катушки.

Осциллограф — прибор, предназначенный для исследования (наблюдения, записи, измерения) амплитудных и временны́х параметров электрического сигнала, подаваемого на его вход, либо непосредственно на экране, либо записываемого на фотоленте. Один из важнейших приборов в радиоэлектронике. Используются в прикладных, лабораторных и научно-исследовательских целях, для контроля/изучения и измерения параметров электрических сигналов — как непосредственно, так и получаемых при воздействии различных устройств/сред на датчики, преобразующие эти воздействия в электрический сигнал или радиоволны. Особенности: широкий частотный диапазон, высокая чувствительность, большое входное сопротивление. Осциллограф с дисплеем на базе ЭЛТ состоит из следующих основных частей:

-Осциллографическая электронно-лучевая трубка;

-Блок горизонтальной развёртки. Генерирует периодический или однократный сигнал пилообразной формы (линейно нарастающий и быстро спадающий), который подаётся на пластины горизонтального отклонения ЭЛТ. Во время спадающей фазы (обратный ход луча) также формируется импульс гашения электронного луча, который подаётся на модулятор ЭЛТ;

-Входной усилитель исследуемого сигнала, выход которого подключён к пластинам вертикального отклонения ЭЛТ.

Рассмотрим пример осциллограммы электрического сигнала — это то, что показывает осциллограф. Картинка идеализирована, работая с реальными приборами таких идеально ровных линий увидеть не получится (из-за чего это происходит я расскажу несколько позже).

Глядя на полученную осциллограмму, можно заметить, что мы имеем:

периодический сигнал прямоугольной формы

он принимает значения как положительной, так и отрицательной полярности (вольтметр просто показал бы какое-то число)

сигнал изменяется в пределах от -6В до +6В (чувствительность по вертикали 2В/деление, т.е. отклонение луча на одно деление по вертикали будет соответствовать двум вольтам)

длительность отрицательного полупериода равна длительности положительного полупериода

При помощи многоканального осциллографа можно одновременно наблюдать сигналы в различных точках схемы и смотреть, как они между собой соотносятся. Например, на входе и выходе усилителя. Мы можем посмотреть сигнал на входе и сигнал на выходе, выяснить какие искажения в форму сигнала вносит наш усилитель, как изменилась его амплитуда, какова временная задержка (сдвиг фаз).

с/дел – скорость движения луча по экрану осциллографа Входной усилитель (делитель?) в осциллографе ослабляет сильные сигналы или усиливает слабые

Усилитель — устройство для усиления входного сигнала (например, напряжения, тока или механического перемещения, колебания звуковых частот, давления жидкости или потока света), но без изменения вида самой величины и сигнала, до уровня достаточного для срабатывания исполнительного механизма (или регистрирующих элементов), за счёт энергии вспомогательного источника. Элемент системы управления (или регистрации и контроля). Электронный усилитель — усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках. Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное устройство, так и блок (функциональный узел) в составе какой-либо аппаратуры — радиоприёмника, магнитофона, измерительного прибора и т. д. Измерительный усилитель (средство измерений) — электронный усилитель, применяемый в процессе измерений и обеспечивающий точную передачу электрического сигнала в заданном масштабе.