1. Основные понятия и определения.
Метрология – наука об измерениях, методах средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Измерение – нахождение знач-я физ величины опытным путем с помощью спец тех средств. Значение физической величины это - количественная оценка, т.е. число, выраженное в определенных единицах, принятых для данной величины. Отклонение результата измерения от истинного значения физической величины называют погрешностью измерения – ∆=А-А0, где А – измеренное значение, А0 – истинное. Т.к. истинное значение неизвестно, то погрешность измерения оценивают исходя из свойств прибора, условий эксперимента, анализа полученных результатов. Физ. Велич. – св-во реально сущ-х объектов, общее в качественном и индивидуальное в колличественном смысле. Физические величины – основные (длина, масса, время, сила электрического тока) и производственные. Остальные величины производные. Например, кол-во электри-ва КЛ = А·С; В = Вт/А; Ф= Кл/В. Физическая величина является размерной, если в её определение входит хотя бы одна из основных величин. Безразмерными являются относительные величины. Например: n12 = ω1/ω2 ; KU = U2/U1; и т.д. В зависимости от множества значений, которые могут принимать физические величины, они делятся на аналоговые и квантованные . Аналоговая величина может иметь в заданном диапазоне бесконечное множество значений, а квантованная – конечное. Значение аналоговой величины измеряется с неизбежной погрешностью, квантованная величина может быть определена счетом её квантов, если они постоянны. Измеряемые величины - постоянные или переменные во времени. При измерении постоянной величины достаточно определить одно её значение. Переменные во времени величины разделяют на квазидетерминированные и случайные. Квазидетерминированной называется величина, для которой известен закон изменения во времени, но не известен измеряемый параметр этой зависимости. Пр: i(t)=Imsin(ωt+φ)
Случайной называется величина, размер которой изменяется во времени случайным образом. Обычно объекты исследования обладают бесконечным множеством свойств. Измеряется в процессе эксперимента одно или несколько. Такие свойства называют существенными или основными. Выделение существенных свойств называют выбором модели объекта. Выбрать модель - значит установить измеряемые величины, в качестве которых принимают параметры модели. За истинное значение измеряемой величины принимают значение параметра модели. Например, для силы переменного тока принята модель i(t)=Imsin(ωt+φ) Здесь Im, ω, φ – параметры модели, t – время. Каждый из параметров может быть измеряемой величиной. Идеализация, присутствующая при построении модели, обуславливает несоответствие между параметром модели и реальным свойством объекта. Это приводит к погрешности. Для измерений необходимо, чтобы погрешность была меньше допустимых норм. Информация – как совокупность сведений, уменьшающих начальную энтропию об объектах. Совокупность сведений о значении измеряемых величин называют измерительной информацией. Материальный носитель информации – сигнал. Сигнал, функционально связанный с измеряемой величиной, называют сигналом измерительной информации. Сигнал измерительной информации имеет информативный параметр, т. е. параметр, функционально связанный с измеряемой величиной. Остальные его параметры – неинформативные. Как и физическая величина, сигнал измерительной информации может быть случайным постоянным детерминированным. Технические средства, применяемые в измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики, называют средствами измерений.
2. Виды, методы и методики измерений.
В зависимости от способа обработки экспериментальных данных различают прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения (не используют). Прямые - измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. Пр: измерение напряжения вольтметром. Косвенные - измерение, при котором искомое значение величины вычисляется по рез-м прямых измерений других величин. Пр: коэффициент усиления усилителя вычисляют по измеренным значениям входного и выходного напряжений. Рез-т, полученный в процессе измерения физ величины на некотором временном интервале - наблюдением. В зависимости от свойств исследуемого объекта, свойств среды, измерительного прибора и других причин измерения выполняют с однократным или многократным наблюдениями. В последнем случае для получения рез-та измерения требуется статистическая обработка наблюдений, а измерения называют статистическими. Рез-ты ряда последовательных измерений можно использовать для определения закона измерения измеряемой величины. Если на заданном интервале времени число измерений конечно, то говорят о дискретных измерениях, а если бесконечно , то об аналоговых. В зависимости от режима работы средств измерения разделяют на статические и динамические. При статическом измерении выходной сигнал прибора остается неизменным в течение заданного времени (стрелка прибора). В процессе динамического измерения допускается изменение выходного сигнала. Для определения результата необходимо учитывать динамические свойства приборов.
В зависимости от точности оценки погрешности различают измерения с точным или с приближенным оцениванием погрешности. В последнем случае учитывают нормированные данные о средствах и приближенно оценивают условия измерений. Таких измерений большинство. Метод измерения – совокупность средств и способов их применения Числовое значение измеряемой величины определяют путем её сравнения с известной величиной - мерой. В зависимости от способа применения меры различают метод непосредственной оценки и методы сравнения с мерой. При методе непосредственной оценки результат измерения определяют по шкале измерительного прибора. Шкала такого прибора заранее градируется с помощью меры. Методы сравнения предполагают непосредственное участие в процессе измерения меры и однородной с ней измеряемой величины. Группа методов сравнения включает нулевой (что разность между измеряемой величиной и известной (мерой) сводится к нулю, что фиксируется нуль – индикатором), дифференциальный (разность между измеряемой величиной и известной, воспроизводимой мерой, определяется измерительным прибором, неизвестная величина находится по известной и измеренной разности), замещения (на вход прибора поочередно подключают измеряемую величину и известную, воспроизведенную мерой) и совпадения (подбором известной величины добиваются одинаковых показаний прибора).
Методика измерений - установленная совокупность операций и правил, выполнение которых обеспечивает получение рез-а измерений в соответствии с выбранным методом.
3. Подготовка к измерениям.
Измерение – единственный источник информации о свойствах физических объектов и явлений. Подготовка к измерениям включает: а – анализ поставленной задачи; б – создание условий для измерений; в – выбор средств и методов измерений; г – подготовку оператора; д – опробование средств измерений.
а) В процессе анализа поставленной задачи решаются вопросы: что измерять?; с какой точностью измерять?; как измерять?; чем измерять? Ответы на эти вопросы и определяют содержание подготовки эксперимента. Кратко рассмотрим их. 1. Перед проведением измерений необходимо составить возможно более точную модель объекта. Модель объекта дает ответ на первый вопрос. Пр, для измерения напряжения переменного тока нужно знать форму кривой этого напряжения, его частоту, диапазон возможных мгновенных значений. Модели объекта могут изменяться. 2. Обоснование необходимой точности должно учитывать поставленные цели, технические возможности, экономические и временные затраты. Необоснованный запас по точности может сделать эксперимент неоправданно сложным и дорогим. Иногда допустимая погрешность задается заранее. Суммарная погрешность не должна превышать допустимую. 3. На вопрос: как измерять? отвечает методика измерений – совокупность операций и правил использования средств измерений, средств вычислений и вспомогательных средств. Разработка методики измерений неразрывно связана с обеспечением требуемой точности, требует учета вида измерений и метода. б) Достоверность результатов измерений зависит от условий, в которых выполнялись измерения.
Условия – это совокупность величин, влияющих на значение результатов измерения. Влияющие величины разделяются на следующие группы: климатические, электрические и магнитные (колебания эл тока, напряжения в сети), внешние нагрузки (вибрации, ударные нагрузки, внешние контакты приборов). Для конкретных областей измерений устанавливают единые нормальные условия. Значение физической величины, соответствующее нормальному, называют номинальным. При выполнении точных измерений применяют специальные средства защиты, обеспечивающие нормальные условия. в) Важный этап подготовки – выбор средств измерений, соответствующих принятым моделям. При этом учитываются следующие факторы: 1) Воздействие средства измерения на объект. Так, включая амперметр в измеряемую цепь, мы уменьшаем ток в этой цепи за счет сопротивления самого амперметра. Для уменьшения этого влияния необходимо, чтобы мощность, потребляемая от объекта средством измерений, была относительно небольшой. Тогда орентировочно относительную погрешность, вызванную потреблением мощности Рп ри измеряемого объекта можно оценить формулой β=Pn/P , где Р – мощность, выделяемая на объект измерения. 2) Метрологические характеристики средств. 3) Пределы измерений (следует выбирать такие пределы измерений, при которых показания прибора будут находиться ближе к верхнему пределу). 4) Частотный диапазон (необходимо обеспечить неискаженное прохождение спектра сигналов измерительной информации). г) На точность измерения влияет и подготовка операторов. д) До начала измерений оператор опробует средства измерения, т. е. проверяет действие органов управления, регулировки, настройки и т. д. Если средства автоматизации, то тест.
4. Выполнение измерений.
Организация измерений имеет большое значение для получения достоверного результата. Это в значительной мере зависит от квалификации оператора, его технической и практической подготовки, проверки средств измерений до начала измерительного процесса, а также выбранной методики проведения измерений. Во время выполнения измерений оператору необходимо: соблюдать правила по ТБ при работе с измер приборами; следить за условиями измерений и поддерживать их в заданном режиме; тщательно фиксировать отсчеты в той форме, в которой они получены; вести запись показаний с числом цифр после запятой на две больше, чем требуется в окончательном результате; определять возможный источник систематических погрешностей. Принято считать, что погрешность округления при снятии отсчета оператором не должна изменять последнюю значащую цифру погрешности окончательного результата измерений. Обычно ее принимают равной 10 % от допускаемой погрешности окончательного результата измерений. В противном случае число измерений увеличивают настолько, чтобы погрешность округления удовлетворяла указанному условию. Единство одних и тех же измерений обеспечивается едиными правилами и способами их выполнения. При этом унифицируют требования к модели, средствам измерений, условиям их проведения, обработки экспериментальных данных, форме представления результата. Это обусловливает необходимость разработки методик выполнения измерений. Методика должна содержать разделы: нормы точности измерений; используемые методы измерений; требования безопасности; требования к квалификации оператора; условиям выполнения измерений; обработке и оформлению результатов измерений.
7. Учет и исключение систематических погрешностей.
Это достигается: установкой нуля (стрелочные приборы), предварительной калибровкой (развертки осциллографа). Устраняются источники тепла; применяются замкнутые и непрерывные экраны (для исключения влияния магнитных полей); амортизаторы. В более сложных ситуациях задача решается выбором метода, прибора и условий измерений, при которых систематические погрешности минимизируются. Однако, этот путь не всегда осуществим. Если происхождение систематической погрешности известно и ее значение может быть определено, то вводят поправку, или поправочный множитель. Поправка - это значение величины, одноименной с измеряемой, прибавляемой к результату измерения с целью исключения систематической погрешности. Поправочный множитель умножают на результат измерения (например при измерении амплитудного значения напряжения с помощью вольтметра, результат нужно умножить на √2, так как шкала вольтметра проградуирована в среднеквадратических значениях). Для устранения систематических ошибок широко применяют способы замещения, компенсации и симметричных наблюдений.
Способ замещения - измеряемую величину заменяют мерой, находящейся в тех же условиях. Например, при измерении электрических параметров R,C или L объект включают в мостовую схему, позволяющую выполнить уравновешивание цепи. Затем, не меняя схемы, вместо объекта включают меру переменного значения ( магазин R,L,C) и , изменяя ее значение, добиваются восстановления равновесия. Способ компенсации - измерения проводят дважды так, чтобы погрешность входила в измерения дважды с противоположными знаками. Исключается они вычислением среднего значения:
.
Способ симметричных наблюдений - в течение некоторого интервала времени выполняют несколько измерений одной и той же величины. За окончательный результат принимают среднее значение двух результатов, симметричных относительно середины интервала(см. рис.). Когда причины возникновения систематических ошибок известны, но их значение и знак установить нельзя, применяют рандомизацию-перевод в случайную погрешность. Когда учёт систем-х ошибок не возможен с помощью перечисленных погрешностей применяют рандолизацию (перевод сист-х погр-й в случайные)
5. Выполнение измерений.
Слагаемые делят на погрешность меры, погрешность преобразования, погрешность сравнения, погрешность фиксации результата. В зависимости от источника возникновения могут быть: погрешности метода (из-за неполного соответствия принятого алгоритма математическому определению параметра); инструментальные погрешности (из-за того, что принятый алгоритм не может быть точно реализован практически); внешние ошибки - обусловлены условиями, в которых проводятся измерения; субъективные ошибки - вносятся оператором (неправильный выбор модели, ошибки отсчитывания, интерполяции и т.д.). В зависимости от условий применения средств выделяют: основную погрешность средства, которая имеет место при нормальных условиях (температура, влажность, атмосферное давление, напряжение питания и т.д.), оговоренных ГОСТ; дополнительную погрешность, которая возникает при отклонении условий от нормальных. В зависимости от характера поведения измеряемой величины различают: статическую погрешность - погрешность средства при измерении постоянной величины; погрешность средства измерения в динамическом режиме. Она возникает при измерении переменной во времени величины, из-за того, что время установления переходных процессов в приборе больше интервала измерения измеряемой величины. Динамическая погрешность определяется как разность между погрешностью измерения в динамическом режиме и статической погрешностью.
По закономерности проявления различают: систематическую погрешность - постоянную по величине и знаку, проявляющуюся при повторных измерениях (погрешность шкалы, температурная погрешность и т.д.); случайную погрешность - изменяющуюся по случайному закону при повторных измерениях одной и той же величины; грубые погрешности (промахи) следствие небрежности или низкой квалификации оператора, неожиданных внешних воздействий. По способу выражения различают: Абсолютную погрешность измерения, определяемую в единицах измеряемой величины, как разность между результатом измерения А и истинным значением А0: ∆=А-А0. Относительную погрешность - как отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению: δ=Δ/А0 Так как А0=Аn, то на практике в вместо А0 подставляют Ап Абсолютную погрешность измерительного прибора Δn=An-A0 где Ап - показания прибора; Относительную погрешность прибора: δn=Δn/An Приведенную погрешность измерительного прибора y=∆n/L где L - нормирующее значение, равное конечному значению рабочей части шкалы, если нулевая отметка находится на краю шкалы; арифметической сумме конечных значений шкалы (без учета знака), если нулевая отметка находится внутри рабочей части шкалы; всей длине логарифмической или гиперболической шкалы.
6. Предел доп-й осн-й погр. Классы точ-и измер приборов.
Предел допускаемой основной погрешности - это наибольшая основная погрешность измерительного прибора, при которой он может быть допущен к применению.
Приняты следующие способы выражения такой погрешности.
Предел допускаемой абсолютной погрешности: 1) в виде одного числа Δn.пред=А0-А=±а (3.6) где а - пост вел-на; 2) в виде зависимости от показаний прибора Ап , двучленной формулой Δn.пред=±(а+вАn) , (3.7) где в - постоянная величина; 3) в виде таблицы пределов допускаемых погрешностей для разных показаний. Предел допускаемой относительной погрешности выражается одной из формул: δn.пред=±(∆п.пред/Аn)·100=±h (3.8) δn.пред=±(∆п.пред/Аn)·100=±(h+dAK/An) (3.9) δn.пред=±(C+d(AK/An-1)) (3.10) где АК - конечное значение установленного предела измерений; С,d,h - постоянные числа. Предел допускаемой приведенной погрешности выражается формулой yn.пред=(±∆n.пред/L)·100 (3.11) Пределы допускаемых погрешностей средств измерений используются для определения класса точности приборов. Класс точности средства измерения - обобщенная характеристика, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей. Класс точности характеризует свойства средств измерений, но не является непосредственным показателем точности. Средствам измерений, пределы допускаемых погрешностей которых выражаются в единицах измеряемой величины (формулы 3.6 и 3.7) присваивают класс точности, обозначаемый римскими цифрами :I, II, и т.д. С увеличением допускаемой погрешности увеличивается порядковый номер. Всего определено восемь классов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; Средствам измерений, пределы допускаемых погрешностей которых выражаются в виде приведенных величин (формула 3.11), присваивают классы точности, выбираемые из ряда чисел:1·10n;1.5·10n;2.5·10n;(3·10n);4·10n;5·10n;6·10n , (3.12) где п = 1;0;-1;-2…
Когда нормирующее значение L определено в единицах измеряемой величины, класс точности обозначают числом, равным пределу основной приведенной погрешности. Когда нормирующее значение L определено длиной шкалы, класс точности обозначают числом, заключенным в "уголок". Средствам измерений, для которых пределы допускаемых погрешностей выражаются в виде относительных величин, по формуле (3.8), присваивают класс точности из ряда (3.12). Условное обозначение представляет число, помещенное в кружок. Когда погрешность оценивается формулой (3.9) класс точности определяется совокупностью значений h и d. Эти значения выбираются из ряда (3.12). Условное обозначение состоит из двух чисел, разделенных косой чертой. В числителе - h,в знаменателе - d.
8. Оценки случайных погрешностей.
Вероятность появления случ. величины Р. Пр: Р = 0с, 1с, 2с, 3с, 4с Р=1/n=1/5 Р=0 невозможное событие. Р=1 заранее известное событие. Чтоб скорость сл. в-ну погр. нужно знатьдиапазон величины и вероятность погрешности на [a,b] От а до б случ. вел. может принимать любое значение т.е. является непрерывной функцией, т.к. кол-во значений n→∞ P→0. d∆=∆2-∆1 A+∆1в общем случае сл. в-на может принимать любые значения P=∫-∞ ∞W(∆)d∆=1 учитывает площадь под кривой. Мат ожидание – ср. значение сл. в-ны mA=∫-∞ ∞A·W(A)dA это наиболее вероятное зн-е ожидаемой в-ны.Среднеквадратическое зн-е – отклонение сл. в-ны от мат ожидания называют дисперсией (рассеивание) (mA-A)2=∫-∞ ∞(mA-A)2W(A)dA=δ2 √ δ2= δ W(∆) – обобщённая хар-ка сл. в-ны, если к ней предъявить требования (чётность, монотонность,конечное знач мат ожид) то получим нормальный закон распределения:
Для нормального закона распределения формула плотности распределения абсолютных погрешностей ∆cn имеет вид: , (4.1) где: δΔ и mΔ - соответственно среднеквадратическое отклонение и математическое ожидание случайной погрешности; Δ - фиксированное значение (уровень) случайной величины Δсл.
Если mΔ=0, а величина Δ нормирована значением δΔ, т.е. введено х=Δ/δΔ, то выражение (4.1) принимает вид: (4.2)
Функция нормального распределения определяется как интеграл от (4.2):
. (4.3)
9. Обнаружение грубых погрешностей.
При статистической обработке результатов измерений необходимо убедиться в том, что они не содержат грубых ошибок. Эта задача решается статистическими методами. Для нормального распределения рассчитаны границы максимально и минимально допустимых погрешностей при п измерениях. Расчеты сведены в таблицы, которые определяют нормированный критерий разброса результата от среднего значения:
(4.14)
Критерий tГ рассчитан в зависимости от п и от уровня значимости – q%. Уровень значимости q выбирают достаточно малым, чтобы была малой вероятность ошибки. Поэтому таблицы называют таблицами q – процентных точек распределения.
Чтобы определить наличие грубой ошибки в К-ом результате AnK, необходимо сначала вычислить tГК
, (4.15)
где Аср и определяют с учетом всех п результатов. Затем, выбрав уровень значимости q, по таблицам находят tГ. Если tГк> tг, то АnК можно отбросить.
10. Погрешности косвенных измерений.
При косвенных измерениях искомая величина А функционально связана с другими величинами - x, y,…t, которые и подвергаются прямым измерениям. Поэтому и абсолютная погрешность величины ΔА является некоторой функцией погрешностей прямых измерений ∆A=F(∆x, ∆y, ∆t)
Например, для случая одной переменной А=f(x). В результате измерения получим
A+ ΔА=f(x+Δx). (4.23) Разложим правую часть (4.23) в ряд Тейлора и сохраним члены разложения, содержащие Δx в первой степени. Тогда . (4.24) Это выражение показывает что А=f(x).ΔA=±df(x)·∆x/dx
В общем случае абсолютная погрешность находится геометрическим суммированием:
,
где слагаемые – квадраты частных погрешностей прямых измерений.
Прямые измерения величин x, y,…t могут выполняться путем многократных наблюдений, с определением точечных оценок xcp,ycp,…tcp, а также . Тогда оценка среднеквадратического значения абсолютной погрешности косвенных измерений определяется формулой
Появились остаточные значения.
11. Доверительные интервалы.
Рассмотренные оценки результатов измерений Acp;σ*Acp;σΔ* выражаются одним числом и называются точечными. Так как такую оценку принимают за действительное значение измеряемой величины, то встает вопрос об её точности и надежности. Судят об этом по вероятности α того, что абсолютная величина отклонения Δсл=А0-Аср будет оставаться меньше некоторой назначенной величины ε: Р(|Δсл|)≤ε=α (4.16)
или Р(А0-Аср ||)≤ε=α (4.17) В (4.17) величина ε характеризует точность, а α надежность оценки. Поэтому вероятность α называют доверительной вероятностью.
Равенство (4.17) можно переписать в виде P(Acp-ε≤A0≤Acp+ε)=α (4.18) Выражение (4.18) показывает, что интервал Δα=2ε с вероятностью α накрывает величину A0. Поэтому его называют доверительным интервалом. Подставим в выражение (4.16) нормированные величины: X=Δсл/δΔ и β=ε/δАср
Тогда можно записать известное из теории вероятностей равенство Р(-β≤X≤β)=F(β)-F(-β)=α (4.19) Значит, если известна функция F(x), то конкретное значение α определяет значение β и наоборот. Кроме того, из сопоставления (4.19) и (4.6) получаем равенство α=Ф(β). (4.20) С учетом изложенного определение интервальной оценки можно выполнить в следующем порядке.
1. По результатам измерений вычисляют.Acp;σ*Acp;σv* 2. Задают доверительную вероятность α , обычно α>0.9. 3. По таблице интеграла вероятности Ф(х) находят при Ф(х) =α значение X. Это значение принимают равным β.
Так как β=ε/ σ*Acp, то ε=β· σ*Acp a Δα=2ε. При малом числе измерений 2 Обратная задача – определение α по Δα Ф(β)=α=2F(β)-1=2F([ε/ σ*Acp]-1) где ε/ σ*Acp=β. При п 12. Общие требования к методам обработки.
Суть требований к статистическим методам обработки сводится к следующему: А) Метод обработки должен определяться видом измерений (прямые, косвенные, совместные и совокупные); Б) Если требуемый массив данных сразу получить нельзя, необходимо собрать его в разные интервалы времени. В этом случае массив будет состоять из нескольких групп данных, полученных в разных условиях, но требующих совместной обработки. В) В качестве оценки результата рекомендуется использовать его среднее арифметическое – Аср, а в качестве оценки погрешности – среднее квадратическое отклонение. Эти оценки наиболее отвечают требованиям по быстроте и трудоемкости обработки. Г) Точность получаемых экспериментальных данных должна соответствовать требуемой точности результата измерений. При обработке промежуточных результатов измерений требуется удерживать на одну – две значащих цифры больше, чем требуется в окончательном результате. Д) До начала обработки данные эксперимента тщательно анализируются.
Последовательность анализа:
1. Выявляют отдельные результаты измерений, значения которых резко отличаются от остальных. Если имеется твердая уверенность, что допущено неверное действие оператора, то такой результат исключают из последующей обработки. Во всех других случаях применяют статистические методы проверки наличия грубой ошибки.
2. Число измерений во многом определяет метод обработки.
При большом числе измерений (п>50) принято группировать данные. Все результаты выстраивают по их значению в ряд от Anmin до Anmax, а полученный диапазон значений разбивают на l интервалов. Количество интервалов l можно определить по формуле Старджесса: ℓ =1+1.31lgn. (5.1)
3. Определяют ширину интервала h по выражению h=( Anmax- Anmin)/ ℓ. (5.2)
Вычисленное значение ширины интервала h округляют до целого значения. Например Anmin=11 , Anmax=24 ; п = 100; l = 8; h = (24-11)/8 = 1,63 ≈ 2. Подсчитывают число измерений m, попавших в каждый интервал.
4. Для предварительной оценки вида распределения строят гистограмму распределений. Гистограмма - это ступенчатая фигура из l прямоугольников, на плоскости А, mi (рис. 5.1) или А, Рi , причем Рi = mi/п, mi – частота, а Рi – частость. Иногда строят полигон – ломаная линия.
5. Далее проводится проверка гипотезы о том, что распределение не противоречит нормальному. Проверка проводится по критерию X2 (критерий Пирсона).
13. Обработка прямых многократных измерений.
1. Из результатов наблюдений исключают известные систематические погрешности.
2. Если есть подозрение о наличии грубых погрешностей, то проверяют гипотезу по критерию tГ. Для этого находят значение среднего арифметического Аср, исключив из него систематическую погрешность, значение среднего квадратического отклонения σ*Δ, а далее вычисляют tГ1=(Acp-Anmin)/σ*v ; tГ2=(Anmax-Acp)/σ*v
Значения tГ1 и tГ2 сравнивают с табличным tГ. Если tГ1 и tГ2 больше tГ, то Anmin и Anmax исключают из дальнейшей обработки.
3. Вычисляют Аср, σ*v σ*Acp исправленных результатов наблюдений.
σ*Acp = σ*v/√n’ .4. Если распределение подчин-ся нормальному з-ну, то задаётся довер вер-тью α и по ней находят β, Δα или tc, Δα Δα=2β· σ*Acp где β - табличная величина, значение аргумента интеграла вероятности Ф(β);
5. определяют границы неисключенной систематической погрешности Q – погрешности обусловленные классом точности прибора. Для абсолютной погрешности Q=Δ=A0-An=±α. Для относительной погрешности Q=±(δ/100)·Acp Для привидённых Q = (γ/100)Acp
Если имеется несколько неучтённых погрешностей необходимо найти:
где m – число погрешностей;
К = 1,1 при доверительной вероятности α=0.95.
6. Определяют отношение QΣ/σ*Acp. Если оно меньше 0,8, то неисключенными погрешностями пренебрегают.
Если оно больше 8, то пренебрегают случайной погрешностью и считают, что Δ=2θΣ.
Если 0,8 , .
Результат измерения и погрешности представляют в виде A0=(Acp±ΔΣ); α.
14. Обработка результатов нескольких групп измерений.
В практике измерений часто встречаются ситуации, когда необходимо найти наиболее достоверное значение величины на основании измерений, выполненных разными операторами, различными измерительными приборами и в различных условиях. Представляемые каждым оператором оценки называют, в таких ситуациях, рядами. Очевидно, что они неравноточные. Обработка таких неравноточных результатов направлена на получение наиболее достоверного значения измеряемой величины Ар.
Пусть истинное значение измеряемой величины равно А0. Пусть также, в результате m неравноточных измерений получены ряды Acp1,σ*v1; Acp2,σ*v2; … ; Acpm,σ*vm Тогда вероятнейшее значение Ар может быть найдено по формуле:
(5.3)
Формула (5.3) неудобна для практического применения, так как обычно значение σ*vi сильно отличаются от единицы. Поэтому её преобразуют.
Введем некоторый коэффициент μ2, на который умножим числитель и знаменатель правой части (5.3). Величину μ2 выбирают так, чтобы отношение (μ/σ*vi)2 было возможно ближе к единице. Величину (μ/σ*vi)2 называют весом и обозначают pi. С учетом этого формула (5.4) примет вид:
Величину Ар, полученную по (5.5), называют весовым средним или общей арифметической срединой. Оценку абсолютного значения среднеквадратического отклонения погрешности определяют выражением, аналогичным
Для оценки остаточной погрешности (погрешности весового среднего), пользуются формулой
Если значения σ*vi отсутствуют, но известно число измерений, выполненных в каждом неравноточном ряде пi, то полагают пi ≈ σ*vi
19. Классификация средств измерений.
Средства измерений - это технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики.
Схема классификации приведена на рис. 7.1. В основном она отражает физику измерительных средств. Поэтому поясним только отдельные классы приборов.
Масштабные измерительные преобразователи предназначены для изменения размера величины в заданное число раз. К классу электромеханических относят приборы, в которых энергия электромагнитного поля преобразуется в механическую энергию перемещения подвижной части. Электромеханические приборы с преобразователями преобразуют входной сигнал с целью расширения диапазона измерения различных величин. К электронным относят аналоговые приборы, использующие электронные узлы и электромеханический измерительный механизм. Измерительной установкой называют совокупность функционально и конструктивно объединенных средств измерений и вспомогательных устройств для рациональной организации измерений.
Измерительно - вычислительные (процессорные) средства включают в свой состав: 1. измерительно - информационные системы (ИИС) - совокупность функционально объединенных измерительных и вспомогательных технических средств для получения измерительной информации; 2. измерительно - вычислительные комплексы (ИВК) - совокупность автоматизированных средств измерений и свободно программируемой ЭВМ, которая обрабатывает результаты измерений, управляет процессом измерения и воздействует на объект;
20. Условное обозначение приборов.
На циферблаты, щитки и корпуса измерительных приборов наносятся обозначения, определяющие назначение прибора, тип измерительного механизма, род тока, класс точности, рабочее положение и др.
Условные обозначения, определяющие назначение прибора
Род измеряемой величины
Наименование прибора
Условное обозначение
Сила тока
Напряжение
Мощность
Энергия
Количество электрич.
Сдвиг фаз
Частота
Сопротивление
Индуктивность
Емкость
Амперметр
Вольтметр
Ваттметр
Счетчик киловатт-часов
Счетчик ампер-часов
Фазометр
Частотометр
Омметр
Генриметр
Фарадометр
А
В
W
КWh
Ah
φ
Hz
Ω
H
F
Условные обозначения типа измерительного механизма
Условные обозначения класса точности, рабочего положения и др.
Заводское обозначение включает обозначение завода изготовителя одной или двумя цифрами, после буквенного обозначения типа измерительного механизма. Например, 1 – ленинградский «Вибратор»; 3 – Краснодарский завод электроизмерительных приборов; 42 – Чебоксарский завод электроизмерительных приборов. Номер конструкторской разработки – цифрой
21. Государственная система приборов.
Повышение требований к количеству и качеству средств измерений для нужд народного хозяйства привело к созданию Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП). ГСП – это совокупность изделий, предназначенных для использования в промышленности в качестве технических средств автоматических и автоматизированных систем контроля, измерения, регулирования и управления технологическими процессами (АСУТП). С помощью средств ГСП измеряются и регулируются величины: пространства и времени, механические, электрические, магнитные, тепловые и световые. ГСП охватывает все устройства, обеспечивающие формирование сигналов – носителей информации о значении параметров (датчики); устройства нормирования и функционального преобразования (преобразователи и процессоры); коммутацию, АЦП и ЦАП; воздействия на объект. Техническую основу ГСП составляют агрегатные комплексы – совокупность технических средств, упорядоченных по функциям и параметрам. Различают комплексы широкого применения (АСВТ – агрегатный комплекс средств вычислительной техники) и специализированные (АСЭТ – агрегатный комплекс средств электроизмерительной техники). Комплексы АСВТ и АСЭТ используют практически во всех областях народного хозяйства в виде составных частей АСУТП. Это объясняется особой ролью электрических средств измерений и ВТ в обеспечении автоматизации управления. В подавляющем большинстве случаев сигнал – носитель информации об измеряемой физической величине преобразуется в электрический сигнал. Поэтому применение электроизмерительной и вычислительной техники носит универсальный характер. В состав АСЭТ входят аналоговые приборы (измерительные преобразователи, коммутаторы, стабилизированные источники питания), АЦП, ЦАП, устройства представления информации, блоки связи, устройства управления. В настоящее время выпускается более 500 типов АСЭТ. В состав АСВТ входят модули центрального управления и переработки информации, хранения информации, связи с объектом и оперативным персоналом, выхода на внешние линии. Совмещение АСЭТ и АСВТ обеспечивают с помощью блоков сопряжения.
22. Характеристики средств измерений и их нормирование.
Несмотря на разнообразие средства измерений имеют некоторые общие свойства. Это позволяет сопоставлять их между собой. Свойства средств измерений описывают комплексом метрологических характеристик. К ним относятся: Функция преобразования (статическая характеристика прибора). Она устанавливает функциональную зависимость между информативными параметрами входного и выходного сигнала средства измерений. Чувствительность средства измерений – отношение приращения выходного сигнала Δx к приращению входного сигнала Δy . S=lim Δx/Δy=dx/dy.(7.1) При нелинейной статической характеристике преобразования чувствительность зависит от х, при линейной она постоянна. У измерительных приборов с постоянной чувствительностью шкала равномерная, т.е. длина всех делений шкалы одинакова. Величина, обратная чувствительности, называется постоянной прибора – С. C=1/S (7.2) Порог чувствительности – наименьшее изменение входной величины, обнаруживаемое данным средством измерений. Диапазон измерений – область значений измеренной величины, для которой погрешность измерений не превышает установленных норм. Диапазон может быть разбит на поддиапазоны. Диапазон показаний – область значений шкалы, ограниченная начальным и конечным. Цена деления шкалы – величина, определяемая разностью значений двух соседних отметок шкалы. Для цифровых приборов указывают цену единицы младшего разряда. Входное полное сопротивление Zвх – определяет мощность, потребляемую средством измерения от объекта. Выходное полное сопротивление Zвых средства измерения. Характеризует допустимую нагрузку на измерительный прибор. Погрешности средств измерений разделяют на приведенные и абсолютные; основные и дополнительные; систематические и случайные; аддивные и мультипликативные; типа и экземпляра измерительного средства. Динамическая характеристика – определяет инерционные свойства прибора. Сведения о метрологических характеристиках приводятся в нормативно-технической документации на средства измерений. Наиболее важные указывают на самих приборах. Установление номинальных значений и границ допускаемых отклонений реальных метрологических характеристик средств от их номинальных значений называется нормированием метрологических характеристик.
23. Сигналы измерительной информации.
В средствах измерений передача, хранение и отображение информации о значениях измеряемых величин осуществляется посредством сигналов. Их принято называть сигналами измерительной информации. Любой сигнал определяется рядом параметров. Один из параметров сигнала измерительной информации функционально связан с измеряемой величиной. Такой параметр называют информативным. 1. Непрерывные (аналоговые) по информативному параметру и во времени сигналы, например постоянные или гармонические токи и напряжения (рис. 7.2.б,в,г,д). Для постоянных токов I и напряжений U (рис. 7.2 б) информативными параметрами являются их мгновенные значения I(t), U(t), функционально связанные с измеряемой величиной А. На рис. 7.2.б приведен график тока или напряжения, связанных с измеряемой величиной А зависимостью I=K·A или U=K·A , К – коэффициент преобразования. В гармонических сигналах информативными параметрами могут быть максимальная амплитуда Um (амплитудное значение), угловая частота ω или начальная фаза φ. Измерение информативного параметра в соответствии с измеряемой величиной называют модуляцией сигнала. Соответственно информативным параметрам, различают амплитудную, частотную или фазовую модуляции (рис. 7.2 в,г,д). 2. Непрерывные по информативному параметру и дискретные по времени сигналы (рис. 7.2 е.). Такой сигнал представляет последовательность значений информативного параметра, определимых в моменты ti. В реальных средствах это периодическая последовательность импульсов, у которых информативным параметром может быть амплитуда (рис. 7.2. ж), частота (рис. 7.2 з), или длительность (рис. 7.2 и) импульсов. Соответственно различают амплитудно-импульсную (АИМ), частотно-импульсную (ЧИМ) и широтно-импульсную (ШИМ) модуляцию. 3. Сигналы непрерывные по времени и квантованные (дискретные) по информативному параметру (уровню) приведены на рис. 7.2 к. Такие сигналы формируются на выходе ЦАП. Информативный параметр этих сигналов может принимать только разрешенные уровни (кванты) Δy. 4. Сигналы дискретные по времени и по информативному параметру. Теоретическая модель такого сигнала приведена на рис. 7.2 л. Если каждому уровню такого сигнала поставить в соответствие кодовую комбинацию, то получим кодово-импульсную модуляцию (КИМ). Такие сигналы формируются на выходе АЦП (рис. 7.2 м).
24. Математические модели сигналов.
Под математической моделью понимают описание сигнала математическими выражениями (формулами, неравенствами, логическими соотношениями и т.п.). Общей особенностью всех моделей сигналов измерительной информации является априорная неопределенность значений информативных параметров. Подход к построению модели определяется классом сигнала. Рассмотрим подходы к построению моделей для квазидетерминированных и случайных сигналов. Вид функции квазидетерминированного сигнала известен, а информативный параметр неизвестен. Для построения модели используются как временные, так и спектральные представления. Например, скачкообразное измерение сигнала u(t) на выходе измерительного преобразователя можно описать функцией включения (7.3) →
С помощью этой функции сигнал измерительной информации может быть записан в виде
U(t)=α·1(t-t1)=K·A(t)·1(t-t1) (7.4)
Для описания гармонических сигналов широко используют тригонометрические функции. Например, сигнал АМ имеет вид U(t)=Um[1+mA(t)]·cosω0t (7.5) где m – коэффициент модуляции. Для АИМ математическая модель имеет вид
U(t)=ΣUm[1+mA(t)]·[1(t-tK)-1(t-tK-τ)] (7.6) где τ - длительность импульсов. Спектральное представление квазидетерминированных сигналов основано на преобразовании Фурье. Поэтому модель периодического сигнала u(t) имеет вид
u(t)=U0+ΣUk·cos(kωt-φK) (7.7) где U0 – постоянная составляющая; Uк; φK - амплитуда и фаза к-ой гармоники; к – номер гармоники.
Для непериодического сигнала спектральное представление основано на применении интеграла Фурье S(jω)∫-∞ ∞u(t)·e-jωtdt (7.8)
В общем случае сигналы измерительной информации – случайные процессы. Построение моделей таких сигналов основано на применении характеристик случайных процессов – закон распределения, математическое ожидание, среднее квадратическое отклонение, корреляционная функция или спектральная плотность мощности.
27.Меры
Меры разделяют на эталоны, образцовые и рабочие. Образцовые меры предназначены для поверки и градуировки рабочих средств измерений. По точности воспроизведения физической величины их разделяют на три разряда, причем, наименьшая погрешность воспроизведения у меры 1-го разряда. Рабочие меры служат для измерений. По количеству воспроизводимых мер их делят на однозначные, многозначные и наборы мер. К однозначным мерам относят измерительные катушки сопротивления, катушки индуктивности и взаимной индуктивности, измерительные конденсаторы постоянной емкости, нормальные элементы и стабилизированные источники напряжения.
Измерительные катушки сопротивления выполняют на номинальные значения 10±п Ом, где п – целое (от 10-5 до 1010) Ом. Класс точности от 0,005 до 0,1. Обмотка катушки – из манганина, имеющего малый температурный коэффициент и высокую стабильность свойств. Катушка имеет два токовых вывода – для включения в цепь и два потенциальных – для измерения сопротивления. При работе в цепи переменного тока необходимо учитывать собственную ёмкость С и индуктивность L (см. рис. 9.1). Степень реактивности катушки характеризуют постоянной времени τ=(L/R)-RC,
где R – сопротивление при постоянном токе. Измерительные катушки индуктивности и взаимной индуктивности выполняют из проволоки, намотанной на каркас. Номинальные значения от 10-6 до 1 Г, класс точности от 0,05 до 0,5, верхний предел частоты 100 кГц. Эквивалентная схема аналогична рис. 9.1. Катушки взаимной индуктивности имеют две обмотки на общем каркасе. Измерительные конденсаторы выполняют с воздушной и слюдяной изоляцией. В цепях высокого напряжения применяют газонаполненные конденсаторы. Емкость не превышает 104 пФ. Класс точности – от 0,005 до 1. Нормальные элементы – специальные химические источники электрической энергии, ЭДС которых известна с большей точностью. Например, ЭДС нормального источника при температуре 200 С равна (1,0185 : 1,0187) В. класс точности от 0,0002 до 0,02. Стабилизированные источники напряжения часто применяются в качестве меры напряжения. К многозначным мерам относят измерительные генераторы, калибраторы напряжения, тока, фазового сдвига, измерительные конденсаторы переменной емкости, вариометры, магазины сопротивлений, емкости и индуктивности.
Измерительные генераторы – это источники переменного тока и напряжения, форма которых заранее известна, а частота, амплитуда и другие параметры могут регулироваться и отсчитываться с заданной точностью. Выпускаются генераторы синусоидальных сигналов, генераторы шума, импульсных сигналов и сигналов специальной формы. Диапазон частот от 0,01 до 1010 Гц. Погрешность установки частоты ±(0.1:3)%. Калибраторы – это стабилизированные источники напряжения или тока, позволяющие получать на выходе ряд калиброванных (точно известных) значений сигналов. Погрешность установки достигает значений ±5·10-3%. Магазины сопротивлений, емкости и индуктивности. Позволяют устанавливать необходимое значение величины с помощью переключателей. Магазины сопротивлений воспроизводят величины от 10-2 до 1010 Ом. Класс точности от 0,005 до1. Магазины индуктивности имеют диапазон старшей декады от 0,001 до 10000 мГ. Число декад от 1 до 5. Класс точности от 0,02 до 1.
15. Основные понятия метрологического обеспечения.
Развитие науки и техники обуславливает повышение роли измерений. Кол-во средств и методов измерения непрерывно возрастает, при этом важно, чтобы количественное и качес-твенное развитие метрологии происходило в рамках единства измерении, под к-рым понимают представление рез-тов в узаконенных единицах с указанием значения и хар-тик погреш-ностей. В связи с этим возникло метрологическое обеспечение, под к-рым понимают установление и применение научных и организационных основ технич. средств, правил и норм,обеспечивающих единство и требуемую точность измерении. Под научной основой метрол. обеспечения понимают метрологию; организационной основой метрол. обеспечения явл. метрол. служба, состоящая из гос-ной и ведомственной служб –это сеть организации и учреждении, возглавляемых Госстандартом. Технич. обеспечение составляет система единиц физич. величин, сист. передачи размеров единиц от эталонов к рабочим средствам посредством образцовых средств и средств поверки. Система госиспытании обеспечивает единство средств измерении в процессе их производства и выпуска. Система госповерки средств измерении; сист. стандартных образцов состава и свойств вещ-в и материалов; сист. стандартных справочных данных о физич. константах и о свойствах вещ-в и материалов. Правовую основу метрол. обеспечения представляет госсистема обеспечения единства измерении (ГСИ) – это комплекс нормативно-технич. документов, устанавливающих порядок и правила, требования и нормы, необходимые для организации, обработки и представления рез-тов измерения.
28.Масштабные преобразователи.
Масштабным называют измерительный преобразователь, предназначенный для измерения величины в заданное число раз. К ним относят шунты, делители напряжения, измерительные усилители, измерительные трансформаторы. Шунты применяются для уменьшения силы тока в заданное число раз. Такая задача возникает, когда диапазон показаний амперметра меньше диапазона изменения измеряемого тока. Шунт – это резистор, включаемый параллельно амперметру (рис. 9.2) Шунты могут состоять из нескольких резисторов, или иметь несколько отводов. Это позволяет изменять коэффициент шунтирования. Размещаются в корпусе прибора или снаружи. Применяются, в основном, в цепях постоянного тока в магнитоэлектрических приборах. Классы точности от 0,02 до 0,5. Делители напряжения применяются для уменьшения напряжения в заданное число раз. В зависимости от рода напряжения элементы делителя выполняют в виде часто активного сопротивления, емкостного или индуктивного. Класс точности добавочных резисторов от 0,01 до 1. Материал - манганин. Номинальный ток от 0,5 до 30 мА. Измерительные усилители предназначены для расширения пределов измерения в сторону малых сигналов. По диапазону частот измерительные усилители разделяют на усилители: постоянного тока; низкочастотные (20 Гц : 200 кГц); высокочастотные – до 250 МГц; селективные (узкополосные). Электронные измерительные усилители позволяют измерять сигналы от 0,1 мВ и 0,3 мкА с погрешностью от 0,1 до 1%. При меньших значениях сигналов применяют фотогальванические усилители.Серийные измерительные усилители имеют унифицированный номинальный выходной сигнал 10 В или 5 мА. Измерительные трансформаторы переменного тока и напряжения используют для преобразования больших переменных токов и напряжений в относительно малые, допустимые для измерений приборами с малыми пределами измерения (например, 5 А, 100 В). Кроме того, применением трансформаторов повышается безопасность операторов, так как приборы включаются в заземленную цепь низкого напряжения (рис. 9.3). Измерительные трансформаторы имеют две изолированные друг от друга обмотки, помещенные на ферромагнитный сердечник. Обмотка, включаемая в цепь объекта измерения, называется первичной, и имеет число витков w1. Обмотка, к которой подключаются измерительные приборы, называется вторичной и имеет w2 витков. В трансформаторах тока w1I2. Первичная обмотка может состоять из одного витка, в виде шины, проходящей через окно сердечника. В трансформаторах напряжения w1>w2. Поэтому U1>U2. У измерительных трансформаторов имеется еще угловая погрешность, обусловленная неточностью передачи фазы вторичной величине. Это оказывает влияние на показания приборов, отклонение подвижной части которых зависит от фазы измеряемой величины.
29. Электромеханические преобразователи
- преобразуют электрическую энергию входного сигнала в механическую энергию перемещения указателя. Электромеханические преобразователи состоят из подвижной и неподвижной частей, и называются измерительными механизмами. Поворот подвижной части осуществляется под действием момента, зависящего от измеряемой величины X. Этот момент называется вращающим М. Он может зависеть также от угла поворота подвижной части α, т.е. M=F(x,α). При повороте подвижной части на угол dα изменяются механическая энергия dA и энергия электромагнитного поля измерительного механизма dWЭМ, причем dA=dWЭМ. Так как при угловом перемещении dA=M·dα, то M= dWЭМ/dα (9.1) Чтобы угол поворота α зависел от измеряемой величины, на подвижную часть должен воздействовать противодействующий момент Mпр, также зависящий от α- Mпр=f(α). При некотором угле наступает равенство моментов, т.е. M+Mпр=0, или M= -Mпр. По способу создания противодействующего момента различают механизмы с механическими и с электрическим противодействующим моментом. В измерительных механизмах первой группы, противодействующий момент создается спиральными пружинами. При этом упругие элементы используют и в качестве токопровода к подвижной части. Mпр=-W·α, (9.2) где W – удельный противодействующий момент. В механизмах второй группы (логоритмических) противодействующий момент создается так же, как и вращающий, но зависит от угла поворота. Оценим свойства измерительных механизмов по их структурной схеме (рис. 9.4). Схема включает два последовательно соединенных звена. В звене П1 происходит преобразование по (9.1). Преобразовательная функция П1 определяется типом механизма.
Звено П2 одинаково для всех механизмов. В нем вращающий момент преобразуется в угол отклонения подвижной части α. Передаточная функция П2 определяется дифференциальным уравнением, описывающим движение подвижной части Jd2α/dt2=M+Mp+Mпр, (9.3) где J - коэффициент инерции подвижной части; Jd2α/dt2 - момент сил инерции; Mp=-Pdα/dt - момент успокоения, Р – коэффициент успокоения. Если противодействующий момент создается упругими элементами, то (9.3) принимает вид Jd2α/dt2 + Pdα/dt+W·α=M,(9.4) где W – удельный противодействующий момент. С учетом (9.3) и (9.4) передаточная функция звена П2 имеет вид K2(jω)=α(jω)/M(jω)=1/[J(jω2)+P(jω)+W].
После преобразований получают АЧХ звена |Kr(jω)|=1/W√[(1-g2)2+4β2g2], (9.5) где g=ω/ω0; ω - частота изменения вращающего момента; ω0=√(W/J) - частота собственных колебаний подвижной части механизма; β=P/(2√(W·J)) - степень успокоения подвижной части. График зависимости (9.5) при β30. Электромеханические приборы
Электромеханические приборы состоят из: электроизмерительной цепи; электроизмерительного механизма; отсчетного устройства. Измерительная цепь служит для преобразования измеряемой величины А в электрическую, непосредственно воздействующую на измерительный механизм. Измерительный механизм преобразует электрическую величину в угол поворота подвижной части. Отсчетное устройство служит для визуального отсчитывания значений измеряемой величины. Все электромеханические приборы имеют общие детали и узлы. К ним относятся: Корпус прибора – для защиты от ряда внешних воздействий. Отсчетное устройство – шкала и указатель. Шкала представляет пластину с отметками в значениях измеряемой величины. Указатель – это стрелка или световой луч, жестко связанные с подвижной частью измерительного механизма. Крепление подвижной части – опоры, растяжки или подвес. Успокоитель – исключает колебания указателя относительно положения равновесия. Применяют магнитоиндукционные, жидкостные и воздушные успокоители. Корректор – винт, укрепленный в корпусе прибора, поворачивая который можно устанавливать указатель на нулевую отметку. Арретир – устройство, затормаживающее подвижную часть прибора. На каждый прибор наносят условные обозначения: единицу измеряемой величины; класс точности; род тока; условное обозначение типа измерительного механизма; рабочее положение прибора, если это имеет значение.
46.Структурная схема и принцип работы электронно-лучевого осциллографа.
ЭЛО разделяют по количеству одновременно исследуемых сигналов; по ширине полосы пропускания канала сигнала; па характеру исследуемого сигнала; по точности воспроизведения формы, точности измерения интервалов времени и пиковых значений напряжений.Структурная схема осцилл-фа включает в свой состав ЭЛТ, канал верт-го откл-я (канал сигнала); канал гор-го откл-я (канал развертки); канал управл-я яркостью; калибраторы и питающее устр-во. В осциллографах используют главным образом ЭЛТ с электростатическим управлением лучем. Две пары пластин ЭЛТ отклоняют электронный луч в двух взаимно перпенд-х направлениях, которые реализуют координатные оси. Для набл на экране ЭЛТ иссл-го напр-я необх, чтобы луч откл-ся по гор-й оси пропор-но времени, а по верт-й оси проп-но знач-ю иссл-го напр-я. При этом полож-е луча в каждый момент времени соотв-ет знач-ю сигнала в этот момент. Набл-е изобр-е - осциллограмма.
Канал верт-го откл-я предн-ен для передачи напр-я ист-ка сигнала на вход ВОП ЭЛТ. Он состоит из вх-го устр-а и усилителя. осн параметры: чувств-ть – отн-е откл-я луча Н к напр-ю входного сигнала SU=H/U см/В величина, обратная чувств-ти, наз-я коэфф-ом отклонения dY. полоса пропускания – диапазон частот, в пределах которого коэфф-т откл-я КY изм-ся не более чем на 30 %; входное сопр-ие RВХ(0,5;1;10МОм) и входная емкость (СВХ = (10/50)пФ).
Разл-ют осц-фы с откр-м и закр-м входом. Вх-е устр-во верт-го канала включает: аттенюар, эмиттерный повторитель и линию задержки.Аттенюатор (делитель напр-я) предн-ся для регулировки чувств-ти канала путем ослабления сигнала. Эмиттерный повт-ль уменьшает влияние канала на источник сигнала, обесп-ет высокое вх-е сопр-е.Линия задержки позв-ет запустить гориз-ю развертку луча до поступл-я иссл-го сигнала на ВОП ЭЛТ.
Канал гориз-ого откл-я предн-ен для формирования напр-я пилообразной формы, вызывающего гориз-е перем-е луча; для усиления сигнала, синхрониз-го напряжение гориз-го откл-я, а также для усил-я и передачи сигнала со входа Х на ГОП ЭЛТ. Состав: генератор развертывающего напр-я, схема синхронизации, вх-е устр-во канала и усилитель. Генератор выраб-ет пилообразное напр-е с высокой линейностью рабочего хода, большой крутизной на участке обратного входа, амплитудой, достат-й для откл-я луча на весь экран. Посредством пилообразного напр-я создается линейное напр-е. Схема синхронизации предназ-на для передачи синхрониз-их сигналов на вход генератора развертки из канала верт-го откл-я, от внешнего ист-а или от питающей сети. Усилитель: сигнал позволяет получать короткие импульсы, использ-е для синхронизации генератора развертки в автоколеб-м режиме. Канал управления яркостью Z предназ-ся для передачи со входа Z на управляющий электрод ЭЛТ сигналов, модулирующих яркость свечения. Калибраторы служат для измер-я парам-в исследуемых сигналов. Калибратор чувств-ти (ампл)–источник напр-я, по которому устанав-ют номинальную чувств-ть канала верт-го откл-я. SHOM=KHOM*hи/10 см/В где КНОМ – номин-е знач-е коэфф-а передачи канала;
hВ – чувств-ЭЛТ к верт-му откл-ю. При номин-й чувств-ти измерение напр-я сигнала сводится к геометрическим измер-м размера Н видимого откл-я луча. При этом UМ,ИЗМ=H/SHOM Коэфф-т откл-я : dHOM=1/SHOM Тогда UМ,ИЗМ=H*dHOM где d - числа, нанесенные на шкале, окруж-ей переключатель аттенюатора с размерностью В/дел.Калибратор длительности – это мера времени, которой проверяют длительность развертки LК. Отношение q=TP/LK мкс/дел] определяет временной масштаб. Калибратором длительности: кварцевый генератор выраб-ет гармоническое напряжение (обычно 100 кГц).
48.Общие сведения о ЦИП
Цифровыми- измер-ные приборы, автом-ки вырабатывающие дискретные сигналы измерит-й инф-и и представл-е показания в цифровой форме. В ЦИП происходит автомат-е преобраз-ие входной измеряемой величины в цифровой код, в соответствии с которым на цифровом отсчетном устр-е индуцируется зн-е входной величины.Термином цифровой код обозначают число, выраженное в определенной системе счисления. Так результат измерения отображается в десятичной системе счисления. Преобразование, обработка и передача измерительной информации в ЦИП осуществляется в двоичной системе счисления. При этом каждой цифре ставится в соответствие определенное сочетание единиц и нулей – кодовых комбинаций. Для кодирования каждой цифры требуется четыре двоичных разряда. Появление единицы в каждом из разрядов соответствует цифрам 8; 4; 2; 1. Эти цифры называют весом разряда, а код – кодом с весом 8-4-2-1. При переходе от двоичного кода к десятичному используется двоично – десятичная система. В этой системе цифра каждого разряда любого десятичного числа кодируется по двоичной системе. В ЦИП код физически представляется электрическими сигналами. Например, символ О отображается уровнем напряжения, близким к нулю, а символ 1 – уровнем, близким к +2,5 В.Преобразование непрерывной измеряемой величины в код может выполняться методом последовательного счета, методом поразрядного уравновешивания или методом одновременного считывания. Метод последовательного счета: измеряемая величина А сравнивается с известной n*Ak , причем n увеличивается от 0 до NK через равные интервалы времени.
Величину АК называют квантом. При некотором “nK” наступает равенство (строгое или приближенное) nK*AK=A. Так как обычно АК равно единице измерения, то nK - число, выражаемое двоичным или двоично-десятичным кодом. Устройства, осуществляющие такое преобразование, называются аналого-цифровыми преобразователями АЦП. Они обязательно входят в состав любого ЦИП. Используемые в современных ЦИП АЦП способны производить сотни и более преобразований в секунду. Это позволяет использовать ЦИП в устройствах регистрации быстропротекающих процессов и для сопряжения объекта исследования с ЭВМ. Многие ЦИП содержат предварительные аналоговые преобразователи. Они применяются для изменения масштаба входной величины А или ее преобразования в другую величину B=f(A) , более удобную для выбранного метода кодирования (например напряжения в частоту). Обязательным узлом ЦИП является цифровое отсчетное устройство (ЦОУ). Оно преобразует кодовые сигналы в цифровые символы десятичной системы. Схема ЦИП, в общем случае, включает последовательно соединенные аналоговый преобразователь АП, АЦП и ЦОУ. Все многообразие ЦИП классифицируют по: 1. методу АЦП (последовательного счета, поразрядного кодирования); 2. по роду измеряемой величины (вольтметры, частотомеры, оммеры, фазометры, комбинированные и т.д.); 3. по значению измеряемой величины (мгновенных значений, средних, действующих); 4. по области применения (лабораторные, щитовые, системные).
47-Применение осциллографов к исследованию сигналов.
Набл-е период-х сигналов. Для полу-я качеств-го изобр-я сигнала на экране ЭЛТ необх-мо:1. Правильно выбрать развертку. (линейная период-ая развертка). Длит-ть развертки должна быть кратной длит-ти периода сигнала. Миним-ая частота развертки должна быть такой, чтобы изобр-ие не мерцало на экране трубки с коротким или средним послесвечением.2. При набл-и период-х сигналов наиболее целесообразно применять внутр-ю синхронизацию, т.е. синхр-ю исследуемым сигналом. 3. Вертик-й размер изобр-я должен быть удобным для набл-я, но не выходить за рамки масштабной сетки. 4. При набл-и однократных импульсных сигналов или импульсных период-х сигналов с большой скважностью применяется ждущая развертка. Изм-е амплитуды напр-я. Перед изм-м калибруют чувств-ть канала верт-го откл-я. Затем подают исследуемый сигнал на вход У осцилл-фа и , не меняя полож-е регулятора усиления, аттенюатором устанавл-т изобр-е сигнала таким, чтобы его размер Н занимал большую часть экрана Искомую амплитуду опред-т по формуле. UM=HdHOM. Погрешности измерения амплитуды склад-ся из погр-ти меры, преобразования, сравнения и фиксации. Погрешность меры сост-т из погр-сти напр-я калибратора и погр-ти калибровки чувств-ти. Погр-сть преобр-ия δПР склад-ся из погр-тей делителя напр-я калибратора и аттенюатора канала верт-го откл-я. Погр-сть сравнения δСР - погр-ть геометр-го измер-я размера Н. Погре-сть фиксации сливается с погрешностью сравн-я. δ∑=√δ2М+δПР2+δСР2 Изм-е интервалов времени .Инт-ы времени измеряют, исп-я калиброванную развертку, то есть перед началом изм-й, её поверяют по калибратору длительности. Иссл-ый сигнал подают на вход У осц-фа. После появл-я изобр-я на экране подбирают длител-ть развертки. Измер-т длит-ть по гор-ой масшт-ой сетке в виде расстояния l, которое затем умножают на число q, равное произв-ю чисел. Искомая длительность импульса τU=lּq .Погр-ть измер-я склад-ся из погр-ти меры δМ (нестаб-ость кварцевого ген-ра и погр-ть калибровки длит-ти развертки Тр); погр-ти преобр-ия (искаж-е формы сигнала в канале верт-го откл-я); погр-ти сравн-я (погр-ть в изм-и длины l ). Измерение частоты гармонических сигналов посредством осц-фа возможно вып-ть методом срав-я. Метод предп-ет наличие образцового ген-ра и осц-фа. Напр-е образц-го ген-ра подается на один вход осц-фа (например Х), а напр-е измеряемой частоты на второй (например У). Частоту образц-го ген-ра перестр-т до получ-я на экране изображения простейшей интерференционной фигуры: прямой, окружности или эллипса. Появление одной из этих фигур свидет-ет о равенстве частот.Если рав-во не достигнуто, то есть fИЗМ=fОБР±FР, то фигура непрерывно измен-ся, принимая форму эллипсов с переменной длиной осей или прямой. В этом случае отчетливо проявл-ся погр-ть меры (нестаб-ть образцовой частоты) и погр-сть сравн-я – Fр. При малом Fр, её можно опред-ть, сосчитав число периодов п изменения фигуры за опред-ый интервал времени Δt, т.е. FP=n/Δtt.Этим методом можно измерять частоту следования импульсов. Измерение угла сдвига фаз.Прим-е однолучевого осц-фа предп-ет вкл-е в схему измерителя электронного коммутатора на два входа и один выход. Входы коммутатора поочередно подкл-ся на выход с частотой значительно большей частоты исследуемых сигналов. Если выход коммутатора подать на вход У осц-фа, то на экране создается изображение двух напряжений - угол сдвига фаз между которыми необходимо измерить. Измерение угла сдвига фаз сводится к измерению длин отрезков ab и ас. Тогда φ=[(ab)/(ac)]360o Сдвиг фаз можно измерить и методом эллипса. В этом случае исслед-е сигналы подаются на входы Х и У осц-фа. На экране создается эллипс.Пусть на вход У подано напряжение UY(t)=Um,·sin ωt, а на вход Х напряжение Ux(t)=Umx·sin(ωt+φx). Тогда для t = 0 луч будет находиться в точках а или b, то есть lab=2Umx·sinφx. Отрезок lcd соответствует максимальному отклонению луча по оси Х, то есть lcd=2Umx Следовательно sinφx=lab/lcd , а φ= arcsin lab/lcd
49.Основные характеристики ЦИП
К осн-м техн-м характер-м ЦИП относятся: диапазон измерений; чувствительность; разрешающая способность; входное сопротивление; входной ток; точность, помехоустойчивость и быстродействие.
Общий диапазон изм-й ЦИП обычно раздел-я на несколько поддиапазонов. Для каждого поддиапазона указ-я его номинальное значение. Обычно на всех поддиапазонах ЦИП предусматр-ся перегрузка до 20 % от номинального знач-я. Чувств-сть ЦИП опред-я как знач-е измеряемой величины, приходящейся на один квант. Разрешающая спос-сть – величина обратная числу квантов NК на поддиапазон с учетом перегрузки. Входное сопрот-ие характ-ет потребление ЦИП от источника сигнала измерит-й инф-и. Например, подкл-е цифрового вольтметра с входным сопрот-ем RВХ к реальному источнику с внутренним сопр-ем RИ изменяет напр-е на выводах этого источника. При этом возникает методическая ошибка значение которой определяется выр-ем δ≈(RИ/RBX)·100 Для ЦИП переменного тока указ-я также и входная емкость СВХ. Входной ток – это ток протекающий между замкнутыми входными выводами ЦИП в отсутствие измеряемой величины. При подкл-и источника измеряемой величины он создает на RК падение напряжение U=IBXRИ. Величина дельта U определяет методическую погрешность (вольтметра). Точность количественно оценивается погреш-ью. Погр-ть любого ЦИП имеет две составляющие. 1 составляющая – это методическая погр-ть. Она возникает из-за того, что точного равенства A=nKAK практически не бывает. 2 составляющая – это инструм-ая погр-ть. Она возникает из-за отличия действит-го значения кванта от рассчитанного (номинального); из-за наличия порога чувств-ти сравнивающего устр-а. Для ЦИП, выпускаемых отечественной промышленностью, погрешность принято нормировать в относительной форме по двучленной формуле δ=±[c+d(AK/A-1)] . Помехоустойчивость – способ-ть ЦИП снижать действие помех на результат измер-я. Количественно она опред-я коэфф-ом подавления помех. Быстродействие ЦИП характ-ся кол-м измерений в секунду.
50.Измерение частоты
Цифровые приборы, предназначенные для изм-я частоты наз-ся электронно – счетными частотомерами. Они считают число импульсов п (число периодов) исследуемого сигнала за строго калиброванный интервал времени (например 1с). Тогда fИЗМ=n/ΔtKКогда Δ tK=1c, fИЗМ=n[Гц].(рис) Сигнал, частоту которого необ-о измерить, поступает на вход прибора. Формирующее устр-о преобразует синусоидальное напр-е сигнала в послед-ть однополярных импульсов. Оно состоит из усилителя – ограничителя, преобразующего синусоидальный сигнал в меандр, дифференцирующей цепи и одност-го ограничителя. На выходе получаются однополярные короткие импульсы, период следования которых равен периоду измеряемого сигнала (рис).Эти импульсы поступают на вход 1 временного селектора. Но в счетчик импульсы проходят лишь тогда, когда на входе 2 селектора действует стробирующий импульс (прямоугольный импульс заданной длительности). Длительность стробирующего импульса задается кварцевым генер-м и делителем частоты. Кварцевый генер-р служит образцовой мерой, воспроизводящей калиброванный интервал времени. Синусоидальное напр-е генератора преобр-я в импульсы, которые подаются в делитель частоты. Делитель частоты представляет набор q декад. Каждая декада делит частоту импульсов в 10 раз. Общий коэфф-т деления равен 10q.Число использ-х декад может меняться от 0 до q перекл-ми. Поэтому с выхода делителя могут сниматься импульсы с различными частотами следования. Так при fКВ = 10 МГц эти частоты равны 1 МГц; 100, 10, 1 кГц; 100, 10, 1 и 0,1 Гц. Периоды следования этих импульсов и определяют длительность стробирующего импульса (т.е. интервала счета Δ tK) т.е. 0,0001; 0,001; 0,01; 0,1; 1; 10 с. Узел формир-я и управл-я содержит схему формир-я прямоугольного стробирующего импульса, реле времени индикации и сброса показаний счетчика.Оценим погрешность по слагаемым измерений. Погр-ть меры определяется нестабильностью частоты кварцевого генератора. Погр-ть преобраз-я связана с формиров-м прямоугольных импульсов из напр-я синусоидальной формы и пренебрежимо мала. Погр-ть сравнения обусловлена тем, что фронт и срез строб импульса не совпадают с моментами появления счетных импульсов. Из рис. очевидно, что максимальная величина абсолютной погрешности составляет ±1 период импульсов счета, или ±1 дискрету. Поэтому погр-ть наз-т погр-ю дискретности. Если на вход счетчика поступает п импульсов за время ΔtK , то длительность одной дискреты счета Δf=±1/ΔtK. Это знач-е абсолютной погр-ти дискретности в Гц. Относительная погрешность дискретности δf=±1/n Погр-ть фиксации в ЦИП отсутствует. Предел допускаемой абсолютной погр-ти ЭСЧ определ-ся выраж-м ΔПРЕД=±(δКВ·fИЗМ+1/ΔtK) а предел допускаемой относительной погр-ти в процентах равен δПРЕД=±(δКВ+1/n)100 Очевидно, что определяющей по величине является погр-ть дискретности, а для ее уменьшения необходимо увеличивать время измер-я.
51.Измерение периода
Измер-е сводится к подсчету импульсов п за некоторый интервал времени Δt . частота следования импульсов (мера, калиброванная частота), а интервал времени Δt - измеряемая величина - период. Схема прибора для измерения периода и эпюры приведены на рис. Измеряемый сигнал подается на вход прибора. Формирующее устройство 2 преобразует синусоидальное напряжение в последовательность коротких импульсов с периодом ТИЗМ . В узле формирования и управления из них формируется стробирующий импульс длительностью ТИЗМ. На формирующее устройство 1 поступает напряжение кварцевого генератора, из которого формируются короткие импульсы с периодом 1/fКВ. Эти импульсы поступают на вход 1 временного селектора. Измеряемый период определяются числом периодов кварцевого генератора т на интервале ТИЗМ, т.е. TИЗМ=m/fКВ Погрешность меры - такая же что и при измерении частоты, т. е. δКВ Погрешность дискретности δТ=1/m. Она тем меньше чем больше ТИЗМ и выше fКВ Поэтому в схему включены умножители fКВ и делители fИЗМ. Последние позволяют увеличить ТИЗМ в q раз. При изменении периода значительный вес может иметь погрешность преобразования, обусловленная действием шумовых помех. Эти помехи влияют на точность формируемой длительности строб импульса. Поэтому погрешность называют погрешностью запуска, причем δЗАП≈1/hπ, где, Um h=Um/Un , Um - амплитудное значение сигнала, Un- среднеквадратическое значение помехи. Предел относительной допускаемой погрешности измерения периода, выраженный в процентах, определяется формулой
δПРЕД=±(δКВ+δЗАП+1/m).
53.Общие сведения о регистрирующих приборах
Необх-ть автоматической регистрации измеряемых величин возникает как в производственной деятельности, так и в научных исслед-ях. Соврем-е регистрирующие приборы позволяют не только отсчитывать значение измер-ой величины, но и получать график её изм-ия во времени. Все многообразие регистр-их приборов принято разделять на две группы: регистр-ие приборы прямого действия и приборы сравнения. Если регистр-ия производится с помощью спец-го устройства на носителе (чаще всего это бумажная лента с нанесенной диаграммой), то приборы называются самопишущими измер-ми приборами. В зависимости от допустимой частоты изменения регистр-ой электрической величины приборы разделяют на обычные (Fдоп≤1 Гц) и быстродействующие (Fдоп > 1 Гц). Применяют большое разнообразие методов регистрации: 1. рег-ия нанесением слоя вещества на носитель (карандашный, чернильный струйный, пастой с шариковым устройством, копировальный, печатный и т.д.); 2. регистр-ия со снятием слоя вещества с носителя (резцовый, плавильный, электротермический); 3. регистр-ия с изменением состояния вещества носителя (термочувствительный, фотографический, магнитной записи). Независимо от методов регистрации большинство регистрирующих приборов используют носители, на которые нанесена диаграммная сетка. Применяют диаграммные ленты и диски. Поле записи диаграммной ленты любого типа делится первичными и вторичными линиями отсчета измеряемого параметра, а также основными и дополнительными линиями времени. Для перемещения носителя, на краях ленты наносят перфорацию. В последние годы большое распростр-ие получают ленточные диаграммы, сложенные в пачку, например ЛПГС – лента с прямолинейными горизонт-ми линиями времени, складывающаяся.
52.Измерение напряжения
Среди разнообразных ЦИП большой удельный вес занимают цифровые вольтметры. Они отлич-я высокой точностью, широким диапазоном измерения, возможностью сопряжения с цифровыми печатающими устройствами и ЭВМ. Все многообразие цифровых вольтметров классиф-ют по:
1.схемному решению (электронные и электромехан-ие); 2.методу преобраз-ия (время - импульсное, взвешивания, поразрядного кодирования); 3.структурной схеме (приборы прямого преобраз-ия и уравновешивающего).Рассмотрим принцип работы цифрового вольтметра с время - импульсным преобраз-ем. В таком приборе измеряемое постоянное напр-е преобр-ся в интервал, который измеряется путем заполнения счетными импульсами. Число импульсов пропорц-но напр-ию, поэтому ЦОУ отображает результат в вольтах. Структурная схема вольтметра и графики на рис.Напр-е измеряется циклами. Цикл задается управляющим устройством. В начале цикла импульс, выдаваемый управляющим устройством, сбрасывает предыдущие показания счетчика и запускает генератор пилообразного напр-я . Пилообразное напр-е поступает на входы 1 двух сравнивающих устройств. 1 сравнивающее устр-о предназначено для фиксации нулевого уровня. Его вход 2 заземлен. Поэтому, в момент t1 равен-а пилообразного напр-я нулю, на выходе сравнивающего устройства 1 возникает короткий импульс. Этот импульс поступает на вход 1 формирующего устр-а. 2 сравнивающее устройство предназначено для фиксации уровня измеряемого напр-я. В момент t2 равенства пилообразного напр-я измеряемому на выходе сравнивающего устройства 2 возникает короткий импульс. Этот импульс поступает на вход 2 формир-го устр-тва. Формир-е устр-о вырабатывает прямоугольный импульс длительностью Δt=t2-t1. Этот импульс воздействует на вход 1 временного селектора. На вход 2 селектора непрерывно подаются счетные импульсы генератора/ Из диаграммы очевидно, что UИЗМ=Δt·tgβ.Так как Δt=m/Fcr , то UИЗМ=tgβ/Fcr·m. Для конкретного образца вольтметра отношение tgβ/Fcr=const Его выбирают равным 10-К (К = 0,1,2…). Тогда показания счетчика дают непосредственно измеренное значение напр-я в цифрах UИЗМ=m·10-K . Кроме рассм-го вольтметра широко применяются вольтметры с двухтактным интегрированием, вольтметры поразрядного уравновешивания, с преобразованием напр-я в частоту, а также вольтметры для изм-я переменных и импульсных напр-ий.
54.Регистрирующие устройства.
В самопишущих приборах прямого действия прим-т электромехан-е или магнитоэлектр-е измерит-е механизмы, оснащенные устр-ми регистрации показаний (перо специальной конструкции).Различают два вида регистр-их приборов:
1. с непосредств-ым соед-м устройства регистрации и подвижной части измер-го механизма рис.; 2. с соединением посредством специальной механ-й передачи рис. В регистр-х приборах первого вида (рис) рычаг 1 жестко закрепляется на рамке подвижной части измер-го механизма. На рычаге 1 размещены капиллярная трубочка 2 и устр-о регистрации 3 (перо). Один конец трубочки опущен в неподвижную чернильницу (на рисунке не показано), а другой соединен с пером. При повороте подвижной части измер-го механизма на угол α. перо перем-ся по дуге окружности также на угол α. Следов-но, регистрация производится в криволинейной системе координат. Масштабную сетку с такой системой координат имеют ленты типа ЛR. В регистр-х приборах второго вида (рис.) рычаг 1 также жестко связан с рамкой измер-го механизма. Но он имеет шарнирное соединение с держателем 2. На держателе укреплена капиллярная трубочка, один конец которой соединен с регистр-м устройством. На конце держателя укреплен ролик 4, совершающий возвратно - поступательной перемещение по неподвижным направляющим 5 при угловых перемещениях рамки измер-го механизма. Видно, что при этом регистр-е устройство (перо) будет перемещаться по носителю по окружности значительно большего радиуса. Это перемещение (при соответствующей длине держателя) можно считать практически прямолинейным. Поэтому прибор позволяет производить регистрацию в прямоугольной системе координат. Сложность передачи этого прибора повышает его стоимость, увеличивает момент трения, что требует применять измер-е механизмы с большим вращающим моментом. Перемещение диаграммных лент осуществляется с помощью синхронных двигателей с многоступенчатыми редукторами. Конструкция лентопротяжного механизма зависит от наличия или отсутствия перфорации у применяемой диаграммной ленты. Кроме рассмотренных, в настоящее время применяются многоточечные приборы, позволяющие регистр-ть несколько величин путем переключения входа прибора специальным коммутатором. В таких приборах существенно усложняется регистрирующее устройство. Промыш-ью выпускается щитовые и переносные амперметры и вольтметры для регистрации постоянных токов и напряжений, одно и трехфазные ваттметры и др. Классы точности по записи значений измеряемых величин определяются основной приведенной погрешностью. Большинство приборов имеют классы 1,0 и 1,5 для постоянных величин и класс 2,5 и 4 при регистрации переменных величин (периодических сигналов). Обычно у каждого прибора имеется возможность установки шести различных номинальных скоростей перемещения диаграммной ленты: 20; 60; 180; 600; 1800; 5400 мм/ч.
55.Регистрирующие приборы сравнения.
Регистрирующие приборы прямого действия имеют 2 существенных недостатка: относительно невысокую точность; недостаточную мощность измер-х механизмов. Это ограничивает область примен-я приборов собственно регистр-ей измеряемой величины. Приборы сравнения имеют не только повышенную точность (классы 0,25; 0,5; 1,0), но и мощные регистрирующие, сигнализирующие и регулирующие выходные устройства. Структурная схема регистрирующего прибора сравнения приведена на рис. (пунктирной линией показана механическая связь).
В измерительной цепи прибора производится сравнение измеряемой электр-й величины (например, Uизм) с напряжением цепи обратной связи Uос. Разностное напряжение ΔU (пост-е или периодическое), после усиления, поступает на реверсивный двигатель. Угол поворота вала реверсивного двигателя α” передается через понижающий редуктор на различные выходные устройства, в том числе и регистр-е устройство. Линейное l или угловое α перемещение регистр-го устройства передается на звено обратной связи. Таким образом, схема регистр-го прибора сравнения представляет замкнутую астатическую следящую систему. В качестве непосредственно измеряемых электр-х величин могут быть пост-е и периодическое напр-е, активное сопр-е. Поэтому практическую реализацию нашли 3 группы регистр-х приборов сравнения:1. автоматические потенциометры постоянного напр-я; 2. автоматические потенциометры переменного напр-я; 3.автоматические мосты. Практически все приборы имеют одинаковые реверсивные двигатели, редукторы и выходные устройства, незначительно отличающиеся усилители напр-я ΔU, различные измер-ые цепи и звенья обратной связи. Регистр-е приборы сравнения часто прим-ся для измерения и регистрации изменения различных неэлектрических величин. В этом случае для преобр-ия неэлектрических величин в электр-ю прим-ся различные преобразователи. Они могут устанавливаться непосредственно на входе приборов или дистанционно. В качестве первичных преобразователей наибольшее прим-ие находят термоэлектрические, работающие с автоматическими потенциометрами постоянного тока, термоэлектрические преобразователи сопротивления, работающие с автоматическими мостами и дифференциально – трансформаторные преобразователи, работающие с автоматическими потенциометрами периодического напряжения.
56.Светолучевые осциллографы.
Соврем-е светолучевые осц-фы применяют в основном для регистрации изменяющихся во времени электрических величин. Регистрация или наблюдение величин (например, токов, напряжений) осуществляется с помощью осциллографических гальванометров специальной конструкции и устройств развертки изображ-я во времени.Выпускаемые промышленностью осц-фы имеют несколько гальванометров (6; 12; 24). Это позволяет одновременно регистр-ть соответствующее число сигналов. Максимальная частота регистрируемых сигналов ограничивается динамическими свойствами осциллогр-ких гальванометров и скоростью развертки. Она достигает 30 кГц. Упрощенная схема осц-фа приведена на рис Луч света от лампы 1, проходя через конденсаторную линзу 2 и диафрагму 3, попадает на зеркальце 4 гальванометра 5. Отраженный от зеркальца световой луч частично направляется к поверхности многогранного зеркального барабана 7, а от него на матовый стеклянный экран 8. Часть луча направл-ся призмой 6 на поверхность фотопленки 9 (или светочувствительной бумаги).Если через гальванометр пропустить исследуемый переменный ток, то подвижная часть гальванометра будет совершать колебания. Если фотопленка 9 и барабан 7 неподвижны, то на экране 8 будет наблюдаться световая полоса, а на фотопленке после её проявления – черная полоса. Если барабан заставить вращаться с постоянной частотой, равной 2π·К/Т, где Т – период исследуемого сигнала, то на экране появится неподвижная кривая исследуемого тока. Поэтому в осц-фе предусматривается регулировка частоты вращения зеркального барабана 7. Перемещение луча по экрану вдоль оси времени называют разверткой. Развертка луча по поверхности фотопленки (фотобумаги) осуществляется путем её перемещения (протяжки) с постоянной скоростью. В результате на фотопленке фиксируется кривая процесса – осциллограмма. Масштаб по оси времени определяется скоростью движения фотопленки или по одновременно записанной осцилл-ме сигнала известной частоты. Для получения такой осциллограммы используется один из гальванометров, или специальное устройство, называемое отметчиком времени.Масштаб по оси ординат зависит от чувств-ти гальв-тра. Он опр-ся по паспортным данным гальв-ра или экспериментально, по известному току.Устройство осциллографического гальв-тра приведено на рис Многовинтовая обмотка – рамка 3 закреплена между полюсами магнитной схемы 4 на двух металлических растяжках 1, натягиваемых пружиной 5. Растяжки служат также для подведения тока к рамке и создания противодействующего момента. К рамке приклеено зеркальце 2, на которое направляется световой луч. Длина рамки составляет 10 : 15 мм, ширина 0,3: 0,4 мм. Размеры зеркальца 0,5х0,8 мм. Такие гальв-ры выполн-ся в виде стержня – вставки, легко заменяются и обеспечивают компактность осц-афа. Светолучевые осц-фы обычно снабжают набором гальв-ов, отличающихся частотой собств-ых колебаний, рабочей полосой частот, чувствит-ю к току и т.д.
58.И-и системы на основе агрегатных комплексов государственной системы приборов.
Наиболее распростр-м принципом построения ИИС в настоящее время является блочно-модульный. Составная часть ИИС – модуль представляет собой конструктивно и функционально законченный блок. Совокупность модулей, упорядоченных по функциям и параметрам, совместимых конструктивно и информ-но образуют агрегатный комплекс- основу ИИС.Применение агрегатных комплексов позволяет строить ИИС, легко перестраиваемые в процессе эксплуатации при изменении требований, а отдельные функциональные узлы (модули) легко заменять на более совершенные. Требования по функциональному и структурному составу агрегатных комплексов, а также по параметрическому уровню агрегатных комплексов определены ГОСТ 22317-77 «Средства агрегатные ИИС. Общие требования к комплексам нормируемых характеристик».В настоящее время разработано около 20 агрегатных комплексов широкого и специального назначения. Наиболее применимы для построения ИИС комплекс средств измерительной техники АСЭТ и агрегатный комплекс вычислительной техники АСВТ.Промышл-сть серийно выпускает измер-ые системы К200 и К732.Измерительная система К200 предназначена для сбора, преобразования, обработки и регистрации информации в виде напряжения постоянного тока. Число измеряемых величин, в зависимости от модификации, составляет от 1 до 40 или от 1 до 80. Погрешность измерения не превышает ± 0,3 %. Время одного измерения примерно 40 мС. В системе применен цифровой вольтметр Ф2000. Система выполнена в виде стойки. Конструкция соответствует требованиям АСЭТ.Измерительная система К732 предназначена для сбора, обработки и представления информации о состоянии испытуемого объекта в процессе испытания на прочность. Датчиками системы являются тензорезисторы. Число измеряемых величин, в зависимости от модификации составляет от 1 до 127 или от 1 до 2540. Погрешность измерения 0,1: 0,5 %. Время опроса всех измеряемых величин не более 1,3 С.
59.Измерительно-вычислительные комплексы.
ИВК – это совок-сть программно-управляемых измерительных, вычислительных и вспомогательных технических средств. Комплексы обеспечивают: 1.первичную обработку результатов измерений; 2.управление функциональными узлами (организацию запросов, очередей, установление приоритетов и т.д.); 3.контроль работосп-сти трактов комплекса; 4.сервисную обработку получаемой информации (представление таблиц, графиков и т.п); 5.хранение получаемой информации;6.выработку управляющих воздействий. ИВК строятся на основе технических средств, имеющих блочно-модульный принцип исполнения. Это позволяет создавать ИВК с перестраиваемой структурой. Такие ИВК предназначены для создания автоматиз-ых систем научных исследований (АСНИ), для автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП). Для управления сложными объектами (космические корабли, морские суда и др.). В зависимости от назначения различают ИВК:1.универсальные (для испытаний различных изделий и материалов); 2.проблемно-ориентированные (для ограниченного набора однотипных задач АСНИ и АСУПТ); 3.уникальные (для специфических исследований). Работосп-сть ИВК определяют техническое, математическое и метрологическое обеспечение. В состав технического обеспечения входят измер-е, вычисл-е и вспомогат-е устройства. К измерительным средствам относят цифровые и аналоговые измерительные приборы, измерительные преобразователи, коммутаторы, калибраторы, измерительные источники питания. В качестве вычислительных средств применяют аналоговые, гибридные и цифровые микро и мини –ЭВМ. Математическое обеспечение – алгоритмы и программы. в метрологическое обеспечение входят: 1.теория поверки и контроля метрологических характеристик средств измерений; 2.образцовые средства измерений; 3.нормативные документы, обеспечивающие единство измерений. Промыш-тью созданы несколько типов ИВК, например ИВК-8. Число коммутируемых каналов – 100. Число одновр-но включенных каналов – 3 или 6. Диапазон коммутируемых напряжений±10 В. Предел допускаемой основной приведенной погр-сти для структуры коммутатор – цифровой вольтметр –0,1 %. Быстродействие – не более 20 изм./с. Основные функции ИВК: 1.первичная обработка получаемых результатов; 2.сервисная обработка измерительной информации; 3.управление функционированием отдельных блоков и узлов.
57.Измерительные информационные системы.
Основными функциями ИИС являются: 1.получение измерительной информации от объекта исследования; 2.обработка; 3.представление информации оператору или ЭВМ; 4.формирование управляющих воздействий на объект исследования. схема ИИС приведена на рис. 17.1.Устройство измерения включает в свой состав первичные и вторичные измерительные преобразователи и собственно измерительное устройство. Здесь выполняются операции сравнения с мерой, квантование, кодирование. В устройство измерения могут входить и коммутаторы сигналов. Устройство обработки функционирует по заданному алгоритму, выполняя математические операции, проводя сокращение избыточности. Здесь может выполняться модуляция сигналов. Устройство хранения информации может выполняться на основе ПЗУ и ОЗУ. Устройство представления информации может быть реализовано сочетанием регистров, шифраторов (дешифраторов) и индикаторов.Устройство управления обеспечивает взаимодействие всех функциональных узлов посредством сигналов синхронизации и управления.Устройство воздействия на объект, включает генераторы стимулирующих воздействий. Информация от ИИС может выдаваться оператору или поступать в ЭВМ. Оператор и ЭВМ могут воздействовать на устройство управления, меняя программу работы ИИС. Приведенная схема ИИС не является строгой. В зависимости от функционального назначения некоторые связи и функциональные узлы схемы рис 17.1 могут меняться или отсутствовать. В результате возможно большое количество схемных решений. Все многообразие ИИС делится по ряду признаков.1. По функциональному назначению ИИС делят на измерительные системы (ИС), системы автоматического контроля, системы технической диагностики. 2. По организации алгоритма функционирования различают системы с жестким, заранее заданным алгоритмом, программируемые и адаптивные системы. Системы с жестким алгоритмом могут применяться для исследования объектов, работающих в определенных условиях. Программируемые системы имеют более широкую область применения, за счет изменения алгоритма в зависимости от тех или иных условий функционирования объекта. Адаптивные системы способны изменять алгоритм работы, а иногда и структуру, приспосабливаясь к условиям объекта исследования.3. В зависимости от способа передачи информации между функциональными узлами различают цепочечную, радиальную и магистральную структуры ИИС.В системах с цепочечной структурой передача информации осуществляется последовательно от одного ФУ к другому, а все ФУ выполняют заранее заданную операцию над входным сигналом.Функциональные возможности такой ИИС ограничены.
45.Приборы для измерения мощности и энергии.
Электронные ваттметры могут быть построены на основе измерительного преобразователя мощности в напряжение. В основе работы преобразователей активной мощности лежит реализация зависимостиP=1/T∫0Tu∙idt. Наиболее точными являются модуляционные множительные устройства. Они основаны на двойной модуляции импульсных сигналов. Чаще других применяют модуляцию ШИМ – АМ. схема преобразователя приведена на рис. 13.9 а, а на рис. 13.9 б – временная диаграмма, поясняющая принцип работы. Генератор вырабатывает прямоугольные двухполярные импульсы постоянной амплитуды А и длительности, причем t1 = t2. Период импульсов T0TИ. В широтно – импульсном модуляторе длительность импульсов под воздействием тока изменяется по зависимости τU=((t1-t2)/T0)I=KШi, где KШ - коэффициент ШИМ. В амплитудном модуляторе амплитуда импульсов модулируется пропорционально входному напряжению, т.е.А=Ka·u, Ка – коэффициент АМ. Тогда среднее за период Т0 значение напряжения на выходе АМ равно U0T0=Ka·KШ·i·u, т.е. пропорционально мгновенной мощности. На выходе УУ выполняется операция интегрирования
,где Т – период тока i. Электронные счетчики активной энергии строятся по принципу реализации алгоритма W=∫t1t2Pdt.
Одна из возможных схем такого счетчика приведена на рис. 13.10. На этой схеме ПМН – преобразователь мощности в напряжение, представленный на рис. 13.9 а. ПНЧ – преобразователь напряжения в частоту. СИ – счетчик импульсов. Как было показано, Uвых пропорционально активной мощности Р. Выходные импульсы ПНЧ подсчитываются (интегрируются) СИ. Следовательно, показания СИ пропорциональны активной энергии.
Серийно выпускаемый счетчик САЗУ – И670Д рассчитан на номинальные токи 5 и 10 А и напряжения 220 и 380 В. Класс точности 2,0.
44.Приборы для измерения индуктивности и емкости.
Разработано много способов измерения Q, L, и C. Наиболее широкое распространение получили способ, основанный на явлении резонанса в LC контуре, и способ, основанный на сравнении частот двух генераторов. Рассмотрим второй способ измерения L и C по схеме рис. 13.8. На этой схеме Г1 – генератор, перестраиваемый образцовым конденсатором С0; Г2 – генератор, в колебательный контур которого включаются измеряемые Lx или Сх; СМ – смеситель, выделяющий разностную частоту F = fГ1 – fГ2; ИМ – индикатор. Параметры контуров выбираются одинаковыми, т.е. L1 = L2; С1 = С2. При подготовке к измерениям зажимы «аб» замыкаются, «вг» – размыкаются. Генераторы настраиваются на одну частоту конденсатором С0. Совпадение частот фиксируется индикатором (нуль – индикатором) по нулевым биениям на выходе смесителя. Измеряемая емкость Сх включается к зажимам «вг». При этом равенство частот генераторов нарушается. Оно вновь восстанавливается измерением емкости образцового конденсатора на ΔC0. При этом Cx= ΔC0. Измеряемая индуктивность подключается к контактам «аб». При равенстве частот имеем (С0+С1)L1=C2(L2+Lx). Поэтому Lx=L1C0/C2=KC0. Следовательно, шкала конденсатора С0 может быть проградуирована в единицах индуктивности. Промышленность выпускает измеритель индуктивностей и емкостей Е7-5А. Диапазон измерений от 0,05 мкГ до 10 мГн и от 1: 500 пФ. Относительная погрешность измерения ±5 %.
43.Погрешности стрелочных электронных вольтметров.
Основной вклад в значение погрешности вносят измерительный прибор и преобразователь. Рационально выбрав прибор, можно свести значение его погрешности до требуемой нормы. Наибольшую составляющую погрешности дает измерительный преобразователь, состоящий из детектора и усилителя. Проанализируем погрешность пикового детектора. Методическая погрешность обусловлена отличием среднего напряжения UСО на конденсаторе от измеряемого максимального значения Um. Это обусловлено разрядом конденсатора за время Т. Ток разряда уменьшается по экспоненциальному закону. ПоэтомуUC(t)=Umexp(-t/RC)≈Um(1-1/RC). К концу периода UC0=(Um-UC(T))/2≈Um(1-T/2RC) Отсюда относительная погрешность преобразования δ=(UC0-Um)/Um≈-T/2RC Для её уменьшения нужно увеличивать RC. При измерении периодических последовательностей импульсов погрешность измерения существенно зависит от скважности Q=T/τU. При больших скважностях T>>τU. За время короткого импульса конденсатор пикового детектора не успевает полностью зарядиться. В течение паузы он существенно разряжается. Среднее напряжение, в таких случаях, оказывается значительно меньше Um. Относительная погрешность, возникающая при этом, может быть определена по формуле δИ≈-Q/(R/(Ri+RИ)+Q где R – сопротивление нагрузки; Ri – сопротивление диода в прямом направлении; RИ – выходное сопротивление исследуемого объекта. Погрешность, вносимая квадратичным детектором типа диодной цепочки, обусловлена погрешностью кусочно-линейной аппроксимации квадратичной вольт - амперной характеристики. Для электронных вольтметров со стрелочными приборами ГОСТ 9781-67 установлены восемь классов точности, определяемых значениями основной приведенной погр-ти в процентах: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 6,0.
41.Электронные аналоговые приборы
В электронных измерительных устройствах основными функциональными узлами являются усилители, преобразователи и другие электронные устройства. Наиболее широкое применение находят вольтметры, генераторы, осциллографы, частотомеры, приборы для измерения параметров схем. Все аналоговые электронные приборы разделены на 20 подгрупп, которые обозначаются прописными буквами. Каждая подгруппа состоит из нескольких видов, обозначаемых арабской цифрой. Вид может разделяться на типы. Номер типа отделяется от номера вида черточкой. Например: В2 – вольтметры постоянного тока; В3 – вольтметры переменного тока; В4 – вольтметры импульсного тока; В7 – вольтметры универсальные; Г3 – генераторы гармонических колебаний НЧ; Г4 – генераторы гармонических колебаний ВЧ; Г5 – импульсные генераторы; Е3 – измерители индуктивностей; Е6 – измерители сопротивлений; Е7 – измерители универсальные; С1 – универсальные осциллографы; С7 – осциллографы стробоскопические; Ф2 – измерители фазового сдвига; Ч3 – частотомеры электронно-счетные.
42.Электронные вольтметры.
Для электронных вольтметров характерны высокая чувств-ть при большом диапазоне измерений (например В3-42 имеет пределы измерений от 30 мкВ до 300 В); слабая зависимость показаний от частоты (В3-24 – от 20 Гц до 1 ГГц); малое потребление мощности от объекта исследования; способность выдерживать перегрузки. Классифицируют вольтметры 1.по виду (В2 ÷ В7); 2.по типу индикатора (стрелочные, цифровые); 3.по методу измерения (непосредственной оценки, нулевой); 4.по измеряемому параметру (пиковые, U, U0); 5.по диапазону (НЧ, ВЧ, СВЧ, широкодиапазонные); 6.по схеме входного устройства (с открытым и закрытым входом); 7.по элементной базе (лампы, транзисторы, микросхемы). Структурная схема стрелочных электронных вольтметров в самом общем виде состоит из входного устройства; усилителя; преобразователя; электроизмерительного прибора и узла питания. Входное устройство обычно состоит из делителей напряжения – аттенюаторов и эмиттерного повторителя. Аттенюатор изменяет пределы измерения; эмиттерный повторитель создает большое входное сопротивление. В СЭВ применяют усилители постоянного и переменного тока. Усилители постоянного тока выполняют роль усилителей мощности сигнала, достаточной для приведения в действие магнитоэлектрического прибора. Такие усилители должны иметь высокое постоянство коэффициента усиления и пренебрежимо малый дрейф нуля (изменение напряжения на выходе при заземленном входе). Часто они выполняются по мостовым схемам. Мостовые схемы усилителей имеют малый дрейф нуля; меньше других подвержены воздействию помех; сохраняют линейность характеристики в широких пределах. В микровольтметрах постоянного напряжения, где треюуется усиление весьма малых сигналов, применяют усилители с преобразованием постоянного напряжения в переменное. В них последовательно выполняется модуляция – усиление – демодуляция сигнала. Поэтому их называют усилители типа MDM или с конвертированием.
В качестве стрелочных измерительных приборов в электронных вольтметрах, как правило, применяют магнитоэлектрические микроамперметры с пределами 100: 1000 мкА. В импульсных киловольтметрах могут применяться электростатические вольтметры. Шкала приборов градуируется в вольтах, причем конечный предел измерения выбирается из ряда U=α·10n где а = 1; 1,5; 2; 3; 5 (предпочтительно 1 и 3); п – любое целое, или 0.
40.Компенсаторы.
Компенсаторы предназначены для сравнения нулевым методом двух независимых напряжений, токов или ЭДС. В общем, виде компенсационную цепь можно представить схемой рис. 12.5. Цепь содержит двухполюсник А с параметрами ЕХ и R, причем ЕХ – измеряемая величина; двухполюсник Б, на выводах которого в и г действует регулируемое в пределах от нуля до некоторого заданного значения компенсирующее напряжение UК, величина которого известна с высокой точностью;RК – внутреннее сопротивление источника UК; сравнивающее устройство СУ. В процессе измерения компенсирующее напряжение регулируется до достижения равновесия UK=EX. Это равенство устанавливается по показанию СУ. Таким образом, характерной особенностью компенсационной цепи является наличие в ней двух или более независимых источников напряжения; двух ветвей, ток которых при равновесии равен нулю. Компенсационные цепи на переменном токе должны содержать источники напряжения со строго одинаковыми частотами. Только в этом случае возможно уравновешивание схемы.
39.Мосты переменного тока.
Мосты переменного тока широко применяются для измерения емкости, угла потерь, индуктивности и добротности. При измерении емкости следует учитывать, что реальный конденсатор обычно обладает потерями, которые учитываются в схеме замещения сопротивлением R , причем tgδ=ωRC Схема моста для измерения емкости конденсаторов с малыми потерями приведена на рис.Комплексные сопротивления плеч схемы равны:Z1=Rx+1/jωCx; Z2=R2; Z3=R3+1/jωC3; Z4=R4.Условие равновесия этого моста имеет вид (Rx+1/jωCx)R4=R2(R3+1/jωC3) Отсюда получаем искомые величины Cx=C3R4/R2; Rx=R3R2/R4.Угол потерь tgδ=ωCxRx=ωC3R3. Порядок измерения следующий.Установив R3 = 0, изменяют отношение R4/R2 до получения минимального показания нуль – индикатора. Регулировкой R3 добиваются дальнейшего уменьшения показаний. Затем, вновь изменяют R4/R2 и так до получения равновесия.Для измерения емкости конденсатора с большими потерями применяют мост с параллельным включением С3 и R3. Для измерения индуктивности LХ можно применить схему 1. В этой схеме LXRX означает последовательное включение активного сопротивления измеряемой катушки RХ и идеальной индуктивности LХ (схема замещения). L3R3 – параметры образцовой катушки. Для такого включения Lx=L3R2/R4; Rx=(R3+R)R2/R4.
38.Мосты постоянного тока.
Применяются для измерения сопротивлений. При изменении средних сопротивлений (10: 106 Ом) применяют одинарные мосты по схеме рис. 12.1. После уравновешивания моста результат измерения определяют по (12.6). В широкодиапазонных одинарных мостах плечо R3 изготавливают в виде многодекадного магазина сопротивлений. Плечи отношений (R2,R4) выполняют в виде штепсельных магазинов сопротивлений, которые могут иметь значения 10, 100, 1000, 10000 Ом. Нижний предел измерений ограничивается влиянием сопротивлений, контактов и соединительных проводов. Верхний предел – влиянием сопротивления изоляции. Чтобы уменьшить влияние сопротивления проводов и контактов, при измерении сопротивлений меньше 10 Ом, применяют схему с четырьмя зажимами подключения объекта. Тем не менее, погрешности измерения малых сопротивлений могут быть большими из-за низкой чувствительности моста. Этих недостатков лишены двойные мосты. Двойные мосты применяют для измерения сопротивлений в диапазоне от 10-8 до 100 Ом. Схема двойного моста приведена на рис. Измеряемое сопротивление RХ включается последовательно с образцовым R0. Образцовое сопротивление выбирают одного порядка с RХ. Сопротивление проводников, соединяющих RХ и R0, обозначено R. Чтобы уменьшить влияние R на результат измерений, проводник выполняют предельно коротким, с большим сечением. В общем случае: Rx=R1·R0/R2+(R1· R4/R2-R3) R/(R+R3+R4).Чтобы исключить R, принимают R1=R3; R2=R4.Тогда Rx=R1· R0/R2, т.е. мост превращается в 4-х плечий.Уравновешивается мост регулировкой R1, который выполняется в виде многодекадного магазина сопротивлений. Для соблюдения условия R1=R3 последнее выполняют идентичным R1 и с общей ручкой управления. Выбор нужного предела производится изменением R2 одновременно с R4. Отечественная промышленность выпускает ряд типов мостов (Р-39, Р-329, Р-3009). Их схема с помощью простых переключений преобразуется из одинарного моста в двойной. Так, диапазон измеряемых сопротивлений мостами Р-39 и Р-3009 от 10-8 до 1010 Ом. Точность измерений по схеме двойного моста 0,02% (102:10-4) Ом, а по схеме одинарного моста 0,1:1%.
34.электростатические приборы.
Электростатические приборы применяются для измерения напряжения постоянного и переменного тока. Вращающий момент в электростатических механизмах возникает в результате взаимодействия двух систем заряженных проводников, одна из которых подвижна. Источником вращающего момента является электрическое поле. Устройство электростатического механизма приведено на рис. Неподвижная часть 1 состоит из одной или нескольких камер. Камеры образованы двумя соединенными пластинами, образующими воздушный зазор. В этот зазор входит подвижный секторообразный электрод 2. Он укреплен на оси 4, вместе с указателем 3. Под действием приложенного к электродам 1 и 2 напряжения U создается электрическое поле. Силы поля стремятся повернуть подвижную часть так, чтобы энергия электрического поля WЭ=1/2U2C была наибольшей. Успокоители – воздушные или магнитоиндукционные. Вращающий момент при постоянном напряжении M=dWЭ/dα=1/2U2dC/dα. Следовательно, выражение для угла поворота имеет вид α= U2/2W·dC/dα. Выражение показывает, что зависимость между углом отклонения и измеряемой величиной не линейная. Поэтому электродам придают такую форму, при которой зависимость dC/dα обеспечивает линейность шкалы, начиная от 15%.Вращающий момент электростатического механизма мал. Это не позволяет сделать на его базе вольтметр с пределом измерения меньше 10 В. На электростатические вольтметры почти не влияет температура, частота и форма напряжения, внешние магнитные поля. Потребляемая мощность мала, а в цепи постоянного тока, при установившемся режиме, равна нулю. Отечественная промышленность выпускает переносные и щитовые однопредельные и многопредельные электростатические вольтметры классов точности 0,5; 1,0; 1,5 на напряжения от 10 В до 300 кВ, на частоты до 10 МГц. Особенность: для расширения диапазонов электростатических вольтметров на переменном токе включаются добавочные конденсаторы СД или емкостные делители напряжения.
37.Теория мостовых схем.
Точки а, б, в, г называют вершинами моста. Участок цепи между двумя смежными вершинами называют плечи моста, а между противоположными вершинами ав и бг – диагональю. В диагональ ав включен источник питания. Ее называют входной. Другая диагональ – бг содержит нагрузку Z0. Ее называют выходной. Эта диагональ напоминает мостик, переброшенный между ветвями электрической цепи. Отсюда и возникло название «мостовой» схемы. Режим работы моста при котором ток выходной диагонали I0 равен нулю называют уравновешенным. Такой режим возможен когда потенциалы вершин б и г равны между собой. Это означает, что падения напряжения на первом и третьем плечах одинаковы. Одинаковы и падения напряжения на втором и четвертом плечах моста. Значит можно записать: i1·Z1=i2·Z2 Так как ток диагонали бг –i0 равен нулю, то очевидно, что i1=i2, i3=i4. Разделим почленно -получим условие равновесия одинарного моста: Z1/Z2=Z3/Z4 или аналогичное ему условие Z1Z4=Z2Z3 Следовательно φ1+φ4=φ2+φ3. Условие задает распределение характера сопротивлений плеч в режиме равновесия. условие равновесия моста имеет вид R1R4=R2R3. Равенство показывает возможность подключения объекта в любое из плеч моста с последующим вычислением его сопротивления. Мосты, в которых измеряемую величину определяют по значению тока или напряжения выходной диагонали называют неуравновешенными. Важной характеристикой моста является его чувствительность. В общем случае она определяется отношением приращений выходной и измеряемой величин вблизи равновесия SM=ΔY/ΔX. В мостах переменного тока обычно используют нуль – индикаторы. Они имеют практически бесконечное сопротивление. Поэтому чувствительность мостов переменного тока определяют по напряжению. Для мостов постоянного тока чувствительность можно определить по току, напряжению и мощности S =ΔI/ΔR1=ΔU/ΔR1=ΔP/ΔR1. где ΔI, ΔU, ΔP соответственно приращение тока, напряжения и мощности в диагонали моста при изменении сопротивления плеча на ΔR1. Погрешности измерительных мостов определяются рядом причин. В уравновешенных мостах источниками погрешностей являются: 1.несоответствие параметров плеч моста (R,L,C) их номинальным значениям; 2.конечное значение чувствительности к измеряемому параметру (порог чувствительности); 3.не учитываемые сопротивления соединительных проводов, изоляции, емкостные связи; 4.помехи, обусловленные действием внешних электрических и магнитных полей.R1H= R1H(1+δ1),где δ1=δ2+δ3-δ4 - относительная погрешность результата измерения, обусловленная погрешностью эл-ов схемы моста. δR=α-βX1/R1- погрешность измерения активного сопротивления; δX=α+βR1/X1- погр-ть измерения реактивного сопротивления. Погрешность, вызванная недостаточной чувствительностью моста, определяется порогом чувствительности сравнивающего устройства. На сигнал ниже порога чувствительности нуль – индикатор не реагирует. Поэтому, когда на диагонали моста действует напряжение порога, нуль – индикатор показывает нулевой уровень. Возникает погрешность измерения. Однако ее значение может быть на порядок меньше, погрешности, обусловленной неточностью сопротивлений, и ею пренебрегают.Таким образом, в качестве критерия минимально допустимой чувствительности измерительного моста можно принять следующее условие: изменение измеряемого сопротивления на значение, соответствующее классу точности моста должно вызвать заметное (на одно деление шкалы) отклонение указателя гальванометра.
36.Амперметры и вольтметры термоэлектрической системы.
Такие приборы представляют собой сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма и термоэлектрического преобразователя. На рис. приведена схема термоэлектрического амперметра. В этой схеме 1 – термопара, 2 – нагреватель. Температура нагревателя определяется силой тока, протекающего через него. С увеличением температуры нагревателя на выходе термопары 1 возникает термо - ЭДС, а в цепи измерительного механизма ток IИ. Термо – ЭДС термопреобразователя пропорциональна количеству теплоты выделяемой нагревателем. Количество теплоты пропорционально квадрату действующего тока I2X. Ток в цепи измерительного механизма IИ=Е/RИ, где Е – термо – ЭДС, RИ – сопротивление цепи катушки измерительного механизма. В результате показания термоэлектрического прибора должны быть пропорциональны квадрату действующего значения измеряемого тока. Реально квадратичный характер шкалы проявляется только в начальной её части. Он исчезает с увеличением тепловых потерь нагревателя при возрастании тока. Теплота, выделяемая током в нагревателе, не зависит от частоты в широких пределах. Поэтому, термоэлектрические приборы применяются как на постоянном токе, так и в области радиочастот. Для расширения пределов измерений термоэлектрических амперметров в сторону малых токов (150-300 мА) применяют вакуумные термопреобразователи. В них нагреватель и термопара помещаются в стеклянную колбу, в которой создано разрежение. При этом уменьшаются потери на теплоотдачу в окружающую среду, увеличивается чувствительность прибора. В термоэлектрических микроамперметрах используют вакуумные термопреобразователи с усилителями постоянного тока. Расширение диапазона измерений до 1 А достигается разделением общего интервала на несколько диапазонов с выделением отдельных термопреобразователей на каждый диапазон. Дальнейшее расширение диапазона измерения достигается применением высокочастотных измерительных трансформаторов тока. В термоэлектрических вольтметрах расширение диапазона измерений достигается включением добавочных резисторов последовательно с нагревателем. Достоинства приборов: достаточно высокая точность измерений в широком диапазоне частот; независимость показаний от формы сигнала. Современные термопреобразователи применяют в диапазоне от 0 до100 МГц. Однако на частотах 5:10 МГц частотная погрешность может достигать 5:10%. Это объясняется увеличением сопротивления нагревателя за счет поверхностного эффекта, а также уменьшением сопротивления собственной емкости нагревателя. В результате, на высоких частотах, часть измеряемого тока протекает через собственную емкость, минуя нагреватель.Частотная погрешность у термоэлектрических вольтметров дополнительно увеличивается за счет влияния реактивностей добавочного резистора.К недостаткам термоэлектрических приборов относятся: малая перегрузочная способность, ограниченный срок службы термопреобразователей, зависимость показаний от температуры окружающей среды, значительное собственное потребление мощности.Промышленность выпускает приборы для измерения токов от 100 мкА до 100 А, напряжений от 150 мВ до 600 В в диапазоне частот до 50 МГц. Класс точности 1,0 и 1,5.
35.Выпрямительные приборы.
Выпрямительные приборы представляют комбинацию выпрямителя, магнитоэлектрического измерительного механизма и отсчетного устройства. В выпрямителях применяют полупроводниковые диоды. Сопротивление полупроводникового диода зависит от полярности приложенного напряжения. При положительной полярности оно мало, а при отрицательной резко возрастает. Поэтому, диод пропускает ток только в одном направлении. Схемы соединения диодов с измерительным механизмом разделяют на две группы: однополупериодные и двухполупериодные. Схема амперметра с однополупериодным выпрямителем приведена на рис. Измерительный механизм включен последовательно с диодом D1. Если на вход схемы поступает синусоидальный ток, то через измерительный механизм проходят полуволны положительной полярности iа. Полуволны отрицательной полярности проходят через диод D2 и резистор R. Значение R равно сопротивлению измерительного механизма. Благодаря этому сопротивление прибора одинаково для любого направления тока. Большее распространение получили приборы с двухполупериодным выпрямителем (рис. 11.2). В схеме рис. 11.2 четыре диода образуют плечи мостовой симметричной цепи, в диагональ которой включен измерительный механизм. Диоды включены так, что ток через измерительный механизм проходит в течение двух полупериодов в одном направлении. Среднее значение выпрямленного тока в мостовой схеме в два раза больше, чем в схеме рис. 11.1. Мгновенное значение вращающего момента измерительного механизма, при протекании через него пульсирующего тока определяется выражением М(t)=BSKwia При двухполупериодном выпрямлении MСР=BSKwI0. Угол поворота подвижной части при однополупериодном выпрямлении равен α1=I0BSKw/2W, а при двухполупериодном α1=I0BSKw/W. Диоды – нелинейные элементы. Прямая ветвь их вольтамперной характеристики изменяется по экспоненциальному закону. Поэтому шкала у выпрямительного прибора несколько сжата, в пределах 10:15% её длины.Сопротивление диодов зависит от температуры. Оно уменьшается с ростом температуры. В результате возникает температурная погрешность. В выпрямительных миллиамперметрах почти весь ток протекает через выпрямительную цепь. Шунтирующая цепь используется для температурной и частотной компенсации. Достоинства: высокая чувствительность, малое потребление мощности, широкий частотный диапазон (до 10-20 кГц). Наименьшие пределы измерения переменных токов 0,25:0,3 мА, напряжений 0,25:0,3 В. Недостатки: невысокая точность (класс точности 1,0:2,5), зависимость показаний от формы измеряемой величины. Промышленностью выпускаются многопредельные ампервольтметры, показывающие и самопишущие, выпрямительные фазометры, самопишущие частотомеры, использующие магнитоэлектрический измерительный механизм.
33.Электромагнитные приборы.
Электромагнитные приборы применяются для измерения постоянных и переменных токов и напряжений, частоты и фазового сдвига между переменными током и напряжением. Низкая стоимость, удовлетворительные характеристики способствуют широкому применению приборов.Измерительный механизм с плоской катушкой (рис.) состоит из катушки1 с обмоткой из медного провода, имеющей воздушный зазор; сердечника 2 из ферромагнитного материала (пермалоя); оси с опорами 3 (или растяжки). Противодействующий момент создается спиральной пружиной или растяжками. Успокоение магнитоиндукционное или жидкостное. При протекании тока I через катушку возникает магнитное поле. Оно воздействует на сердечник 2, то есть стремится расположить его так, чтобы энергия магнитного поля была наибольшей WM1/2·I2L где L – индуктивность катушки. При перемещении сердечника меняется L, поэтому M=dWM/dα=1/2·I2·dL/dα. Если через катушку протекает переменный ток i(t)=Imsinwt, то подвижная часть вследствие инерционности, реагирует только на среднее значение вращающего момента, причем MСР=1/2·dL/dt·I2, где I – действующее значение тока. При статическом равновесии M=
-MПР, или 1/2·dL/dt·I2=Wα , откуда α=1/2W·dL/dt·I2. Таким образом, видим, что шкала электроизмерительного прибора неравномерная. Выбором формы сердечника удается приблизить её к равномерной, начиная с 15:20% конечного значения. Достоинства механизмов: пригодность к работе в цепях постоянного и переменного тока, устойчивость к токовым перегрузкам, простота конструкции, повышенная чувствительность у механизма с замкнутым магнитопроводом. Недостатки: неравномерная шкала, влияние внешних магнитных полей, большое потребление мощности. При использовании в цепях постоянного тока возникает погрешность от гистерезиса намагничивания сердечника. Промышленность выпускает переносные амперметры и вольтметры с классом точности 0,5 с верхними пределами от 0,5 мА до 10 А, и от 1,5 до 600 В соответственно, на частоты от 45 до 10000 Гц. Класс точности однопредельных щитовых приборов 1,0; 1,5; 2,5.
30. Электромеханические приборы
Электромеханические приборы состоят из: 1.электроизмерительной цепи; 2.электроизмерительного механизма; 3.отсчетного устройства. Измерительная цепь служит для преобразования измеряемой величины А в электрическую, непосредственно воздействующую на измерительный механизм. Измерительный механизм преобразует электрическую величину в угол поворота подвижной части. Отсчетное устройство служит для визуального отсчитывания значений измеряемой величины. Все электромеханические приборы имеют общие детали и узлы. К ним относятся: Корпус прибора – для защиты от ряда внешних воздействий. Отсчетное устройство – шкала и указатель. Шкала представляет пластину с отметками в значениях измеряемой величины. Указатель – это стрелка или световой луч, жестко связанные с подвижной частью измерительного механизма. Крепление подвижной части – опоры, растяжки или подвес. Успокоитель – исключает колебания указателя относительно положения равновесия. Применяют магнитоиндукционные, жидкостные и воздушные успокоители. Корректор – винт, укрепленный в корпусе прибора, поворачивая который можно устанавливать указатель на нулевую отметку. Арретир – устройство, затормаживающее подвижную часть прибора. На каждый прибор наносят условные обозначения: единицу измеряемой величины; класс точности; род тока; условное обозначение типа измерительного механизма; рабочее положение прибора, если это имеет значение.
31.Магнитоэлектрические приборы.
Магнитоэлектрические приборы применяют для измерения постоянных токов и напряжений (амперметры и вольтметры), сопротивлений (омметры), количества электричества (баллистические гальванометры, кулонметры), малых токов и напряжений (гальванометры), а также для регистрации электрических величин. Вращающий момент в измерительном механизме возникает в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля катушки с током (рис.). На рисунке NS - полюса магнита, 1 - неподвижный сердечник, 2 - спиральная пружина, 3 - подвижная катушка.Ток к подвижной катушке подводится через две спиральные пружины. При протекании тока I через витки катушки возникает вращающий момент по (9.1). Так как WЭМ=ψI, а ψ=BwSKα - потокосцепление, В - индукция в воздушном зазоре, SК - площадь катушки, то M=dWЭМ/dα=BSKwI. У магнитоэлектрических механизмов ω0=6,28 с-1. Поэтому при частоте тока 10 Гц подвижная часть колеблется с частотой входного тока. С увеличением частоты отклонение подвижной части практически равно нулю. Значит, такие приборы можно применять только в цепях постоянного тока. получают значение α=BSKwI/W следует, что если В – const, то α пропорционален I и шкала равномерная. Для логометрических измерительных механизмов подвижную часть изготавливают в виде двух жестко скрепленных катушек. Чтобы обеспечить линейность шкалы, зазор выполняют неравномерным, добиваясь α=F(I1/I2) , где I1, I2 – токи катушек. Успокоитель – магнитоиндукционный. Успокоение достигается за счет взаимодействия токов, наводимых в дюралюминиевом каркасе подвижной катушки с полем постоянного магнита. Достоинства: высокая чувствительность, линейная шкала, малое потребление энергии, отсутствие влияния внешних электрических и магнитных полей. Недостаток: применение только в цепях постоянного тока. Магнитоэлектрические амперметры выпускают с верхним пределом от 10-7·103 А. Измерительный механизм включается в цепь (разрыв цепи) непосредственно при изменении токов до 30 мА. Для измерения больших токов применяют шунты. При этом возникает температурная погрешность. В многопредельных амперметрах применяют многопредельные шунты. Магнитоэлектрические вольтметры выпускают с верхним пределом от 0,5·103 до 3·103 В. Для расширения диапазона измерений последовательно с измерительным механизмом включают добавочный резистор, или несколько резисторов. Класс точности от 0,1:0,5. Последов-ое включение применяют для измерения больших сопротивлений, параллельно – малых. Диапазоны измерений от 10 Ом до 1000 МОм. Класс точности 1:1,5.
31.Электродинамические и ферродинамические приборы.
Эти приборы применяют для измерения постоянных и переменных токов и напряжений, мощности в цепях постоянного и переменного тока, частоты и угла фазового сдвига. Работа измерительного механизма основана на взаимодействии магнитных полей двух катушек с токами: неподвижной – 1 и подвижной 2. Подвижная катушка на оси или растяжках может поворачиваться внутри неподвижной. Обе катушки бескаркасные. Для защиты от влияния внешних магнитных полей применяются экранирование из ферромагнитного материала. При протекании в обмотках катушек токов I1 и I2 возникают электромагнитные силы, стремящиеся так повернуть подвижную часть, чтобы магнитные потоки катушек совпадали. Энергия магнитного поля двух катушек определяется выражением:
WM=1/2L1I21+1/2L2I22+M12I1I2 , M12 - взаимная индуктивностей. М12 зависит от угла поворота подвижной части. Поэтому получаем: M=dWM/dα=I1I2·dM12/dα
Электродинамические механизмы дают одинаковые показания на постоянном и переменном токе. Это позволяет с большой точностью градуировать шкалу. Показания стабильны во времени. Недостатки – низкая чувствительность, большое потребление мощности, чувствительность к перегрузкам. Механизмы ферродинамической системы отличаются от электродинамических тем, что неподвижная катушка имеет магнитопровод из магнитомягкого материала. В результате магнитный поток, а значит и вращающий момент существенно возрастают. Это позволяет уменьшить потребление мощности. Сильное собственное магнитное поле механизма ферродинамической системы ослабляет влияние внешних магнитных полей. Недостатки – гистерезис и вихревые токи сердечника вызывают появление дополнительных погрешностей. В электродинамических и ферродинамических амперметрах для токов до 0,5 А катушки измерительного механизма соединяются последовательно. Для измерения больших токов катушки механизма включают параллельно. Электродинамический вольтметр состоит из измерительного механизма и добавочного резистора, причем катушки механизма и резистор включены последовательно. Поэтому α=1/WZ·dM12/dα·U2, где Z – полное сопротивление цепи вольтметра. Применение – точные измерения в цепях переменного тока на частотах от 40 Гц до 10 кГц; в качестве образцовых при поверке и градуировке других приборов. Классы точности 0,1:0,5. Класс точности ферродинамических приборов 1,5 и 2,5. Диапазон частот 40:550 Гц. Ваттметры. Для измерения мощности, неподвижные катушки электродинамического (ферродинамического) механизма включают последовательно с объектом, потребляемая мощность которого измеряется. Промышленность выпускает многопредельные ваттметры с пределами по току от 20 мА до 70 А и по напряжению от 15 до 600 В. Классы точности 0,1; 0,2; 0,5.Ферродинамические ваттметры имеют класс точности 1,5:2,5