Классификация средств измерений (меры, измерительные приборы, измерительные установки, измерительные системы) и средств измерительной техники (измерительные преобразователи).

Стр 1 из 2Следующая ⇒

Средство измерений – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизодящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным в пределах установленной погрешности в течение известного интервала времени.

По конструктивновному исполнению средства измерений подразделяются на: меры; измерительные приборы; измерительные установки; измерительные системы.

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Различают: однозначные меры (гиря 1 кг, нормальный элемент), многозначные меры (линейка-штриховая мера длины, магазин сопротивлений) и набор мер (набор гирь).

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапозоне, в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

В зависимости от формы представления информации различают аналоговые и цифровые приборы. Аналоговым называют измерительный прибор, показания которого являются непрерывной функцией измеряемой величины (стрелочный вольтметр). В цифровом приборе осуществляется преобразование аналогового сигнала измеряемой информации в цифровой код, и результат измерения отражается на цифровом табло.

Различают: показывающие; регистрирующие измерительные приборы; приборы прямого действия; приборы сравнения.

Измерительная установка – совокупность функционально объединённых мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других вспомогательных устройств, предназначенных для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте.

Измерительная система – совокупность функционально объединённых мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещённых в разных точках контролируемого объекта и т.п. с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту и выработки измерительных сигналов в разных целях.

В зависимости от назначения различают: измерительные информационные; измерительные контролирующие; измерительные управляющие и др.

Измерительный преобразователь – техническое средство с нормированными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи.

Различают: первичные, промежуточные, передающие и масшабные.

Меры электрических величин: э.д.с., сопротивления, индуктивности,

Взаимной индуктивности, емкости.

Мера э.д.с. В качестве мер э.д.с. применяются нормальные элементы. Нормальные элементы представляют собой специальные гальвонические элементы, эдс которых точно известна.

Меры электрического сопротивления выполняются в виде катушек сопротивления (однозначные меры0 или магазинов сопротивлений (многозначные меры). Катушки выпрлняются из манганинового провода (ТКС=0) и наматываются бифилярно (для исключения влияния индуктивности). Номинальное сопротивление удовлетворяет условию R= 10ⁿ Ом, где n – целое число от -5 до +10.

Меры индуктивности и взаимной индуктивности выполняются в виде отдельгных образцовых катушек или магазинов. Катушки выполняются из медного провода. Катушки взаимной индуктивности имеют две обмотки на одном каркасе. Номинальное значение индуктивности или взаимной индуктивности удовлетворяет условию L=10ⁿГн, М= 10^т Гн, где n – целое число от -4 до 0. Рабочая частота до 100кГц.

Меры ёмкости представляют собой воздушные и слюдяные конденсаторы постоянной и переменной ёмкости. К ним предъявляются основные требования: минимальная зависимость ёмкости от времени, температуры и частоты; малые потери в диэлектрике, характеризуемые тангенсом угла потерь (tgδ ); почность изоляции. Слюдяные конденсаторы имеют номинальное значение ёмкости от 1нФ до 1мкФ, воздушные от 1 пФ до 0, 01 мкФ.

Виды измерений.

По способу нахождения искомого значения измеряемой физической величины различают: прямые; косвенные; совокупные и совместные измерения.

Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение физической величины находят непосредственно по показаниям средства измерений (измерение напряжение вольтметром).

Косвенное измерение – измерение, при котором искомое значение физической величины определяют на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной (измерение сопротивления на основании закона Ома для учатка цепи, когда вольтметром измеряют падение напряжения на сопротивлении и амперметром силу тока через сопротивление: R=U/I). Косвенное измерение применяют, когда нет возможности выполнить прямое измерение или когда они обеспечивают более высокую точность.

Совокупные измерения – измерения, проводимые одновременно для нескольких одноимённых величин, при которых их искомые значения находят решением системы уравнений, состовляемых по резуьтатм прямых измерений различных сочетаний этих величин (измерение сопротивлений резисторов, соединённых треугольником, путём измерений сопротивлений между различными вершинами треугольника).

Совместные измерения – одновременные измерения двух или нескольких разнородных величин для определения зависимости между ними (определяют зависимость сопротивления терморезистора от температуры).

Методы измерений.

Под методом измерений понимают приём или совокупность приёмов сравнения измеряемой величины с её единицей в соответствии с реализованным принципом измерений.

Принцип измерений – физическое явление или эффект, положенное в основу измерений.

В зависимости от способа применения меры различают: методы непосредственной оценки и методы сравнения.

При измерении методом непосредственной оценки искомое значение величины определяют непосредственно по отсчётному устройству средства измерения, которое проградуировано в соответствующих единицах.

Метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Таким образом, отличительной чертой методов сравнения является участие меры в прцедуре измерения.

Группа методов сравнения с мерой включает в себя следующие разновидности: нулевой, дифференциальный, замещения, совпадения и противопоставления.

Нулевой метод – это метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на устройстве сравнения доволят до нуля (измерение массы на равноплечих весах, когда воздействие на весы массы полностью уравновешивается массой гирь).

Дифференциальный метод – это метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами (измерение массы на равноплечих весах, когда воздействие массы на весы частично уравновешивается массой гирь, а разность масс отсчитывается по шкале весов, градуированной в единицах массы).

Метод измерений замещением – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой, т.е. производится поочерёдное подключение на вход устройства сравнения измеряемой величины и известной величины и по двум показаниям прибора оценивают значение неизвестной величины (взвешивание на пружинных весах – измерение производят в два приёма, в начале на чашу весов помещают взвешиваемую массу и отмечают положение указателя весов, затем массу m замещают массу гирь, подбирая её так, чтобы указатель весов установился точно в том же положении, что и в первом случае.

Мосты постоянного тока

Мосты постоянного тока используются для измерения активных сопротивлений. Различают одинарные (четырёхплечие) и двойные (шестиплечие) мосты.

Одинарные мосты. Ветви АС, СВ, ВД и ДА называются плечами моста. Диагональ АВ, к которой подключён источник постоянного тока, называется диагональю питания, а диагональ СД – измерительной диагональю. В измерительной диагонали включён прибор Р, который называется указателем равновесия. В настоящее время для этих целей чаще применяют электронные нуль-индикаторы, имеющие более высокую чувствительность.

Режим работы такой схемы, когда в измерительной диагонали ток равен нулю, называется равновесием моста. Условие равновесия можно получить из системы уравнений, составленных на основании II-го закона Кирхгофа. , тогда R₁R₃=R₂R₄, т.е. условием равновесия одинарного моста является равенство произведений сопротивлений противоположных плеч.

Одинарные мосты позволяют измерять с высокой точностью средние сопротивления в пределах от 10 Ом до 10⁶ Ом. При меньших значениях сопротивления точность уменьшается за счёт влияния сопротивлений контактов и соединительных проводов.

Двойные мосты. Для измерения с большой точностью малых сопротивлений (< 10 Ом) применяют так называемые двойные мосты. Двойной шестиплечий мост работает по принципу сравнения измеряемого сопротивления R_x, с мерой сопротивления R₀. Для уменьшения влияния переходных сопротивлений контактов измеряемое сопротивление включается в цепь через специальное четырёхзажимное приспособление.

Плесами двойного моста служат: измеряемое сопротивление R_x, образцовое сопротивление R₀ и две пары сопротивлений R_1,R₃ и R_2,R₄, которые имеют значения не меньше 10 Ом каждое.

Условие равновесия двойного моста, решённое относительно измеряемого сопротивления R_x, имеет вид:

R_x= R₀ Для приведения этого уравнения к удобному виду необходимо второе слагаемое сделать равным нулю, т.е. получить условие . При R=0, условие принимает простой вид:

R_x= R₀ .

При работе с двойными мостами следует иметь в виду, что при протекании рабочего тока в цепи R_x и R₀ возможно появление термо-ЭДС в местах контакта разных металлов при их нагревании. Для исключения влияния этих эффектов на результат измерения, каждое измерение на двойном мосте должно производиться обязательно дважды, при различных направлениях тока. Это приводит к тому, что возникающие термо-ЭДС сначала увеличивают, а затем уменьшают результат измерения, а среднее арифметическое двух замеров позволяет полностью устранить их влияние.

Мосты переменного тока

Мосты переменного тока используются для точных измерений ёмкости, индуктивности, тангенса угла потерь конденсаторов, добротности катушек и некоторых других величин. Наибольшее распространение получили четырёхплечие мосты переменного тока, работающие в равновесном режиме.

Мост переменного тока отличается от одинарного моста постоянного тока тем, что: 1) в диагональ питания подключается источник переменного синусоидального напряжения (обычно повышенной частоты); 2) сопротивления плеч в общем случае являются комплексными.

Условие равновесия моста переменного тока: Z₁Z₃=Z₂Z₄. Для равновесия моста переменного тока необходимо равенство произведений комплексов сопротивлений противолежащих плеч.

Условие равновесия моста переменного тока в показательной форме: Z₁Z₃ =Z₂Z₄ .

Получаем два отдельных и обязательных условия моста переменного тока: по модулям Z₁Z₃=Z₂Z₄ и фазам φ ₁+φ ₃=φ ₂+φ ₄. Из этих уравнений следует, что для равновесия моста переменного тока необходимо, чтобы произведения модулей и суммы фазовых углов сопротивлений противолежащих плеч были равны одновременно.

Фазовое условие показывает, что уравновесить мост переменного тока можно только при определённом характере сопротивлений его плеч и при определённом их включении.

Для упрощения схемы моста два его плеча обычно выполняются чисто активными, а два других плеча содержат сравниваемые реактивные сопротивления (измеряемое и образцовое).

Если активные сопротивления включены в смежные плечи моста, например, R₃ и R₂, то мост уравновешивается только при условии, если сопротивления оставшейся смежной пары плеч будут давать одинаковый по фазе сдвиг. φ ₂=φ ₃=0 и φ ₁₌φ ₄.

При таком включении активных сопротивлений измерения ёмкости и индуктивности могут производиться лишь путём их сравнения с образцовыми ёмкостью и индуктивностью соответственно.

Если активные сопротивления включены в противолежащие плечи моста, например, R₄ и R₂, то мост уравновешивается лишь в том случае, если в оставшуюся пару противолежащих плеч будут включены сопротивления, дающие сдвиги противоположных фаз. В данном случае φ ₂=φ ₄=0 и φ ₁₌-φ ₃. Т. о. если в одно из оставшихся противолежащих плеч включена ёмкость С, то второе из них должно содержать индуктивность L.

18. Компенсаторы постоянного тока

Компенсаторы – приборы сравнения, в основу работы которых положен принцип компенсации эдс или напряжения.

Здесь: Е_х – измеряемая эдс с внутренним сопротивлением R_x; E_k – компенсирующая эдс с внутренним сопротивлением R_k; РА – нуль-индикатор (гальванометр высокой чувствительности или электронный прибор).

Если Е_х=Е_к, то ток в данной электрической цепи протекать не будет (I=0).

Сущность измерения заключается в том, что изменяя Е_к добиваются нулевого показания нуль-индикатора РА и по величине Е_к судят о величине Е_х.

В качестве регулируемой компенсации эдс обычно используется падение напряжения на точно известном регулируемом сопротивлении при протекании по нему точно известного тока.

Процесс измерения эдс компенсатором состоит из двух этапов: 1) установления рабочего тока; 2) компенсации измеряемой эдс или напряжения.

На первом этапе переключатель SA ставят в положение 1 и, изменяя сопротивление R, добиваются, чтобы ток I равнялся нулю, т.е. чтобы нуль-индикатор РА установился в нулевое положение. При этом будет выполняться равенство (по II-му закону Кирхгофа): Е_н=I_pR₀, откуда I_p=E_H/R₀.

Затем переключатель SA ставят в положение 2 и, перемещая движок R_k, добиваются отсутствия тока I (нулевого показания прибора РА). Т.к. ток I равен нулю, то через R_k будет протекать тот же рабочий ток I_p, что был установлен на первом этапе. При этом I_p =E_x. E_x=E_H _.

Точность измерения Е_х определяется точностью эдс нормального элемента Е_н и точностью резисторов R_K и R₀, которые могут выполняться с малыми погрешностями.

Отличительной особенностью измерения компенсатором является то, что в режиме полной компенсации ток через нуль-индикатор не протекает, а значит, прибор в момент измерения не потребляет мощность из измеряемой цепи, т.е. входное сопротивление компенсатора (со стороны измеряемой величины – эдс или напряжения) равно бесконечности.

Диапазон измерения компенсаторов постоянного тока не превышает 2 В, для измерения больших напряжений применяют делители напряжения.

Благодаря высокой точности компенсаторы также используются при косвенных измерениях постоянных токов, а также сопротивлений.

19. Электронные аналоговые приборы

Электронные вольтметры

В электронных вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется с помощью аналоговых устройств в постоянный ток, который подаётся на магнитоэлектрический ИМ со шкалой, градуированной в единицах напряжения. Электронные вольтметры обладают высокой чувствительностью и широким диапазоном измеряемых напряжений, большим входным сопротивлением (более 1 Мом), могут работать в широком частотном диапазоне. Наиболее часто в электронных вольтметрах применяют схемы с прямым преобразованием сигналов.

По своему назначению и принципу действия наиболее распространённые вольтметры могут быть подразделены на вольтметры постоянного тока и вольтметры переменного тока.

Вольтметры постоянного тока. Д – входной делитель напряжения; УПТ – усилитель постоянного тока; ИМ – магнитоэлектрический ИМ.

Последовательное соединение делителя напряжения и усилителя является характерной особенностью постоения всех электронных вольтметров. Такая структура позволяет делать вольтметры высокочувствительными и многопредельными за счёт изменения в широких пределах их общего коэффициента преобразования.

Для уменьшения влияния нестабильности УПТ в вольтметрах предусмативают возможность регулировки перед измерением «нуля» и коэффициента преобразования усилителя.

Вольтметры переменного тока. Такие вольтметры состоят из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического ИМ. Возможны две обобщённые структурные схемы вольтметров переменного тока, различающиеся своими характеристиками.

В вольтметрах по 1 схеме измеряемое напряжение u_x сначала преобразуется в постоянное напряжение, которое затем подаётся на УПТ и ИМ, являющиеся, по существу, вольтметром постоянного тока. Преобразователь Пр представляет собой малоинерционное нелинейное звено, поэтому вольтметры с такой структурой могут работать в широком частотном диапазоне. Недостатки УПТ и особенности работы нелинейных элементов при малых напряжениях не позволяют делать такие вольтметры высокочувствительными.

В вольтметрах, выполненных по 2 схеме, благодаря предварительному усилию удаётся повысить чувствительность. Однако создание усилителей переменного тока с большим коэффициентом усиления, работающих в широком диапазоне часот, - недостаточно трудная техническая задача. Поэтому такие вольтметры имеют относительно низки частотный диапазон.

В зависимости от вида преобразователя переменного напряжения в постоянное, отклонения указателя ИМ вольтметров могут быть пропорциональны амплитудному (пиковому), среднему (средневыпрямленному) или действующему значениям измеряемого напряжения. В связи с этим вольтметры называют соответственно вольтметрами амплитудного, среднего или действующего значения.

Электронные омметры

Электронные омметры имеют широкий диапазон измеряемых сопротивлений (10^-4 …10¹⁷ Ом). Однако точность измерений, как правило, не очень высока.

В основе работы электронных омметров лежит преобразование измеряемого сопротивления в функционально связанное с ним напряжение постоянного тока, которое затем подаётся на магнитоэлектрический ИМ; при этом шкала ИМ градуируется в единицах сопротивления.

ИСН – источник стабильного напряжения U₀; УПТ – усилитель постоянного тока; R₀ – образцовый резистор (мера сопротивления); R_x – измеряемое сопротивление; Р – магнитоэлектрический ИМ.

Учитывая, что входное сопротивление усилителя постоянного тока очень велико, можно считать, что I_вх≈ 0. Тогда I= ; и соответственно U_x= .

20. Электронно-лучевые осциллографы

Электронно-лучевой осциллограф – прибор для визуального наблюдения электрических процессов, представленных в форме напряжения, а также измерения различных параметров сигналов, определяющих их мгновенные значения и временные характеристики. Кроме того, осциллограф может быть использован для измерения фазового сдвига между синусоидальными напряжениями, а также для измерения частоты.

Одним из основных узлов осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), представляющая собой стеклянную колбу, в которой создан вакуум и расположены определенные конструктивные элементы. Группа электродов, включающая катод с нитью накала, модулятор и аноды (фокусирующий и ускоряющий) образуют так называемую электронную пушку, предназначенную для получения узкого пучка электронов – электронного луча. Отклоняющая система ЭЛТ состоит из двух пар пластин: горизонтальные пластины используются для отклонения луча по вертикали и называются вертикально отклоняющими, вертикальные пластины – для отклонения луча по горизонтали и называются горизонтально отклоняющими. Экран трубки покрывается специальным веществом – люминофором, обладающим способностью светиться под действием ударяющихся в него электронов (электронного луча).

Для получения на экране осциллографа изображения мгновенных значений сигнала, т.е. осциллограммы изменения сигнала во времени, исследуемый сигнал подается на вертикально отклоняющие пластины ОП _y и одновременно электронный луч отклоняется с постоянной скоростью в горизонтальном направлении с помощью линейно изменяющегося (пилообразного) напряжения, приложенного к горизонтально отклоняющим пластинам ОП_x. Напряжение, отклоняющее луч в горизонтальном направлении, называют развертывающим.

По окончании цикла развертки развертывающее напряжение принимает первоначальное значение, при этом луч возвращается в исходное положение и цикл повторяется. В течение второго и последующих периодов луч и пятно на экране будут повторять свое движение. Световая инерция экрана способствует получению на нем не мелькающей кривой, повторяющей в определенном масштабе исследуемый сигнал. Условием неподвижного изображения является кратность отношения периода развертывающего напряжения к периоду исследуемого сигнала, т.е. Т_p /Т = N, где N – целое число. Если N = 1, то на экран создается изображение одного периода исследуемого сигнала; если N = 2, то наблюдатель видит на экране два периода, и т.д.

21. Общие сведения по устройству и принципу действия цифровых измерительных приборов (ЦИП) (к)

Различают: первичные, промежуточные, передающие и масшабные.

12 Следующая ⇒