Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

.pdf
Скачиваний:
72
Добавлен:
21.07.2019
Размер:
3.53 Mб
Скачать

ИНФОРМАЦИОННО 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

Tu2 (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