Конспект

Шпаргалка на метрологию / метрология +.doc

 

1. Основные понятия и определения

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способа достижения требуемой точности.

Измерение – нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств и выражение полученного результата в принятых единицах.

Признаки измерения:

  1. Наличие физической величины
  2. Требуется проведение опыта
  3. Наличие средства измерения
  4. Числовое значение физической величины

Средство измерения – такое измерительное средство, которое обладает нормированными техническими характеристиками.

Физическая величина – свойство, общее в качественном отношении для многих физических объектов, процессов или явлений, но индивидуальная в количественном отношении.

Действительное значение физической величины – значение, которое удовлетворяет в данном случае потребительским задачам.

Классификация ФВ.

  1. Может совершать работу: активные, пассивные
  2. Детерминированные, случайные
  3. Аналоговые – ФВ, которая имеет бесконечное множество значений в заданном диапазоне; квантованные
  4. Во времени: непрерывные, дискретные

 

2 – 3 Виды измерений. Информ аспект изм.

По признаку получения результата:

  1. Прямые – измерения, при которых искомое значение определяется непосредственно в ходе эксперимента
  2. Косвенное – используется известная функциональная зависимость между результатами измеренными прямым способом и искомой ФВ
  3. Совместные – производится одновременное измерение нескольких разноименных ФВ для нахождения зависимости между ними
  4. Совокупные – измерения, когда происходит одновременное измерение нескольких одноименных ФВ для определения искомых значений другой ФВ

По признаку изменения во времени:

  1. Статические – измерение значения некоторой ФВ, значение которой неизменно в течение времени использования результата
  2. Динамические

По признаку кратности измерения:

  1. Однократные
  2. Многократные

По признаку точности

  1. Равноточные – обеспечиваются неизменные условия проведения, одни и те же средства измерения
  2. Неравноточные – различные по уровню точности средства измерения.

---------------------------- 3

Информация – сведения, уменьшающие априорную неопределенность об объекте.

Сигнал измерительной информации – сигнал, параметры которого функционально связаны с измеряемой величиной.

Информационный аспект измерения: получение любого СИИ – цепочка преобразований сигналов.

 

4. Классификация средств измерения.

Средство измерения – технические средства, обладающие нормированными метрологическими характеристиками.

Носителем ФВ является сигнал.

Сигнал – это физический процесс протекающий во времени.

Интегральные характеристики:

  1. Амплитудная -
  2. Среднее значение - - усреднение за некоторый интервал времени. Используется для описания постоянной составляющей сигнала.
  3. Среднее выпрямленное - - используется для характеристики симметричных относительно нулевой оси сигналов.
  4. Среднее квадратическое (действующее) - - используется для описания мощности сигнала.

- коэффициент амплитуды

- формы - усиления

- синусоидальный

1,1,1 – меандр

- пилообразный

Классификация средств измерения.

  1. Меры – средства измерения, воспроизводящие ФВ заданного размера
  2. Измерительные преобразователи – средства измерения, которые выдают СИИ в форме удобной для передачи, хранения, обработки, но неудобной для непосредственного восприятия наблюдателем. Термопара. Электрическую величину в электрическую (трансформатор). Не электрическую в электрическую. Генераторные (термопара). Параметрические (термометр сопротивления) не генерируют сигнал, для работы требуется дополнительный источник питания. Датчик – конструктивно оформленный измерительный преобразователь.
  3. Измерительные приборы – средства измерения, вырабатывающие СИИ в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем. Аналоговые, цифровые. Выходная величина аналогового есть непрерывная функция входной величины. В зависимости от возможности сохранности результата разделяются на показывающие и регистрирующие. В зависимости от места установки выделяют стационарные и переносные.
  4. Измерительные установки – совокупность конструктивно и функционально объединенных средств измерения и вспомогательных устройств, предназначенная для рационального построения измерительного эксперимента.
  5. Измерительная система – совокупность конструктивно и функционально объединенных средств измерения и вспомогательных устройств, предназначенная для автоматического сбора измерительной информации от ряда объектов с последующей передачей, обработкой, хранением.

 

К – коммутатор

ПНК – преобразователь напряжение-код

КС – канал связи

М – модулятор

ДМ – демодулятор

 

5. Методы измерений.

В зависимости от использования меры:

  1. Метод непосредственной оценки – в процессе измерения меры не участвуют, результат получается непосредственно на отсчетном устройстве средства измерения. Мера используется опосредованно – при изготовлении прибора.
  2. Методы сравнения – мера непосредственно участвует в процессе измерения

Нулевой метод.

НИ – нуль индикатор

Ех – измеряемое напряжение

U0 – образцовая мера

Метод заключается в том, что разность измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой, в процессе измерения сводится к 0, что и фиксируется НИ. Результат равен значению меры. Мостовые измерительные приборы. При высокой точности меры метод позволяет получить результат измерения с высокой точностью.

Дифференциальный метод.

Разность измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой, измеряется с помощью средства измерения. Результат получается как сумма значения меры и показаний средства измерения. Данный метод позволяет получать результат измерения с высокой точностью при использовании средства измерения сравнительно невысокой точности.

– абсолютная погрешность вольтметра.

Метод замещения.

Происходит поочередное измерение измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой. Значение неизвестной величины определяется по этим двум измерениям. Обладает достаточной точностью в случае, если объект измерения примерно равен мере.

 

Погрешности измерений.

Погрешность – количественная характеристика

Точность – качественная характеристика, отражающая близость к нулю погрешности.

Классификация.

По способу выражения:

  1. Абсолютная - , выражается в единицах измеряемой величины.
  2. Относительная -
  3. Приведенная - . Отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению. Только для описания средства измерения. Нормирующее значение – характеристика средства измерения.

По месту (причине) возникновения:

  1. Методическая – из-за неадекватности принятой модели объекта измерения
  2. Инструментальная – приборная погрешность самого средства измерения

По характеру изменения:

  1. Систематическая – постоянна или изменяется по известному закону
  2. Случайная – изменяется по законам случайных чисел. Для ее нахождения используются элементы теории вероятности, статистические измерения
  3. Промахи – субъективная погрешность оператора

По способу воздействия окружающей среды на средство измерения:

  1. Основная – возникает при нормальных условиях эксплуатации средства измерения
  2. Дополнительная – в условиях, отличных от нормальных

По характеру изменения во времени:

  1. Статические – возникают при измерении постоянной во времени величины
  2. Динамические – при измерении сигнала, изменяющегося во времени

По связи с измеренной величиной:

  1. Аддитивная – не зависит от измеряемой величины
  2. Мультипликативная – зависит от измеряемой величины

 

9. Характеристики средств измерений.

Неметрологические – характеристики, которые не влияют на точность результата измерения (вес, размер, цвет).

Метрологические – влияют на точность (входное сопротивление, емкость, трение и т.д.)

Основные метрологические характеристики:

  1. Номинальная статическая функция преобразования – зависимость между информационными параметрами входного и выходного сигнала. Вводится для типа средства измерения.
  2. Действительная функция преобразования (уравнение преобразования) – реальная характеристика преобразования. В виде функциональной зависимости, таблицы входных и выходных значений, функции в координатах.
  3. Чувствительность – отношение приращения выходной величины к вызвавшему это приращение приращения входной величины.
  4. Порог чувствительности (разрешающая способность) – минимальное значение входной величины, которое может быть обнаружено по изменению выходной величины.
  5. Постоянная прибора – отношение некоторого значения измеряемой величины к показанию прибора в делениях.
  6. Цена деления – разность между соседними отметками шкалы, причем, если эта разность есть величина постоянная, то шкала равномерная.
  7. Диапазоны показаний – разность между максимальным и минимальным значениями.
  8. Диапазоны измерений – область на шкале средства измерения, в которой определены (заданы) метрологические характеристики – рабочий диапазон
  9. Характеристики средства измерения, влияющие на измерительную цепь.
  10. Погрешности средства измерения. Основная, дополнительная. Аддитивная, мультипликативная.

 

12. Нормирование погрешности средства измерения.

Класс точности средства измерения – основная интегральная метрологическая характеристика средства измерения, дающая предел основной погрешности. В некоторых случаях класс точности задает и дополнительные погрешности, и другие метрологические характеристики. Значение класса точности выбирают из некоторого числового ряда:

У электронных осциллографов класс точности отражает другую величину.

Нормирование – задание номинальной характеристики для данного типа средства измерения и допускаемых отклонений для данного результата.

Тип средства измерения – совокупность средств измерений одного и того же назначения, основанная на одном и том же принципе, имеющие одинаковую конструкцию и выполненные по одной технологической документации.

Способ нормирования погрешности средства измерения зависит от характера абсолютной погрешности данного средства.

Погрешность имеет аддитивный характер.

при равномерной шкале.

с галочкой снизу. При неравномерной шкале.

Мультипликативный характер погрешности.

в кружочке.

Смешанный характер погрешности.

Поверка – это выяснение соответствия данного средства измерения своему классу точности.

Нормирование дополнительной погрешности.

Нормирование дополнительной погрешности сводится к заданию коэффициента влияния или функции влияния.

 

21 – 24 .Электромеханические приборы.

Это приборы, в которых электрическая энергия измеряемого сигнала преобразуется в механическую энергию подвижной части прибора.

Измерительная цепь – служит для преобразования электрической энергии входного сигнала в электрическую же энергию (масштабирование)

Измерительный механизм – для преобразования электрической энергии в механическую движения подвижной части.

Отсчетное устройство – для визуализации.

Классификация электромеханических приборов.

  1. По виду измеряемой величины (ток, напряжение, сопротивление, мощность, частота, фаза)
  2. По роду электрического сигнала
  3. По способу создания противодействующего момента (механический – пружина, логометрический – за счет дополнительной катушки, создающей встречное магнитное поле)
  4. По способу успокоения подвижной части (магнитно-индукционный, воздушный, жидкостный)
  5. По типу измерительного механизма (магнито-электрический, электро-магнитный, электро-динамический, электро-статический, индукционный, ферро-динамический)

 

Магнито-электрические приборы.

Магнитные полюсные наконечники, неподвижный сердечник, рамка с током, противодействующая пружинка.

( 1 )

Поле в зазоре равномерное.

Достоинства:

  1. Высокая чувствительность
  2. Высокая точность k=0.1;0.2
  3. Нечуствительность к внешним магнитным полям, т.к. собственное поле сконцентрировано внутри измерительного механизма
  4. Линейная равномерная шкала

Недостатки:

  1. Низкая перегрузочная способность
  2. Невозможность работы на переменном токе
  3. Относительная сложность производства

 

Приборы на основе МЭИМ.

Амперметры. Диапазон :

Rим – сопр. Измерит мех ( / предел ток / )

Iпр – ток прибора     ( допустим ток )

Кш – коэф шунтировани

Rш – сопр шунтов

 

Вольтметры. Диапазон :

Uk – пред знач

Uим – возмож знач падения напр

KQ –коэф деления

 

Омметры.

Последовательная схема.

 

Влияние источника питания на результат измерения убирается с помощью магнитного шунта, встроенного в конструкцию ИМ, который влияет на магнитное поле для компенсации напряжения питания.

Параллельная схема.

Достоинства:

  1. Высокая точность
  2. Высокая надежность

Недостаток: зависимость от напряжения питания.

Возможно построение комбинированных приборов (тестеров), измеряющих одновременно напряжение, ток, сопротивление, (индуктивность, емкость). На основе МЭИМ строятся также такие высокочувствительные приборы, как гальванометры, а также приборы для измерения на переменном напряжении.

 

25. Электронные аналоговые приборы и преобразователи.

Средства измерения, в которых преобразование сигнала измерительной информации производится с помощью аналоговых электронных устройств. Выходной сигнал таких средств измерения является непрерывной функцией входного сигнала. Используются для измерения всех видов электрических сигналов: напряжение, ток, сопротивление, фаза, частота…

Электронные вольтметры – средства измерения, в которых измеряемое напряжение преобразуется в постоянный ток, который измеряется МЭИМ.

Характеристики:

  1. Широкий диапазон измеряемых значений напряжения, от 10-9 В на постоянном токе до 103 В на переменном токе.
  2. Высокая чувствительность за счет использования входных усилителей
  3. Большое входное сопротивление
  4. Широкий частотный диапазон измеряемого напряжения от 0 до 108 Гц

Неравномерность АЧХ не должна превышать ±3 дБ относительно опорной.

---------------------------------- 26 ------------------------------

Электронные вольтметры подразделяются на:

  1. Постоянного тока
  2. Переменного тока
  3. Универсальные (также измеряют дополнительные величины)
  4. Импульсные
  5. Селективные

Электронные вольтметры постоянного напряжения.

Входной делитель, Усилитель постоянного тока, Измерительный механизм.

Обладают высокой чувствительностью.

Особенности:

  1. 1)
  2. Большое входное сопротивление

При появляется дрейф нулевого уровня.

Для увеличения чувствительности используется модулятор, демодулятор.

 

 

Функцию модулятора и демодулятора выполняют аналоговые ключи, которые управляются генератором синхронно. Позволяет получать величину коэффициента усиления до ~105. Зависит от полярности.

Вольтметры переменного тока.

 

В зависимости от преобразователя:

  1. Амплитудных значений
  2. Средних значений
  3. Действующих значений

Пиковые детекторы – преобразователи в вольтметрах амплитудных значений.

Пиковый детектор с открытым входом.

 

Происходит подзаряд конденсатора положительной полуволной, отрицательная полуволна не пропускается диодом. Для минимизации пульсаций подбирают время заряда-разряда конденсатора

Пиковый детектор с закрытым входом.

 

Из-за градуировки в действующих значениях , коэффициент амплитуды синусоидального сигнала. Если не синусоидальный сигнал, то

Вольтметры средних значений.

Усилитель переменного напряжения, преобразователь.

Увеличение входного напряжения увеличивает чувствительность и уменьшает влияние нелинейности входных диодов преобразователя (за счет перехода в область линейной зависимости)

для несинусоидального сигнала.

Для усиления сигнала используют квадратирующие устройства.

. Шкала у таких приборов квадратичная.

Универсальные вольтметры.

На основе пиковых детекторов с закрытым входом.

Постоянное напряжение: 0.1600В

Переменное напряжение: 1600В

Сопротивление: 10Ом100Мом

Импульсные вольтметры.

Для измерения амплитуды сигналов различной формы.

Особенности:

  1. Малая длительность измеряемых импульсов 10100нс
  2. Значительная скважность импульсов

Шкала градуируется в амплитудных значениях. Пиковый детектор с закрытым входом.

Селективные вольтметры.

Для измерения действующих значений напряжения в некоторой полосе частот или действующего значения определенных гармоник.

Пропускает одну частоту. Действующее значение сигнала для реального вольтметра. Невысокая точность 615% основная погрешность. 0.1мкВ1В. 10Гц100кГц.

 

27. Электронно-лучевой осциллограф.

Для визуального наблюдения, измерения и регистрации электрических сигналов.

Особенности:

  1. Широкий частотный диапазон
  2. Высокая чувствительность
  3. Большое входное сопротивление

Электронно-лучевая трубка.

 

К – катод: эмиссия электронов.

А1, А2 – аноды.

А1 – фокусировка: толщина линии

А2 – ускоряющий анод.

УГО – усилитель горизонтального отклонения. УВО – вертикального.

А3 – измерение импульсных сигналов большой скважности.

Характеристики:

  1. Чувствительность
  2. Полоса пропускания
  3. Длительность послесвечения – время между прекращением действия луча и моментом, когда яркость достигнет 1% от первоначальной
  4. Рабочая площадь экрана: геометрические размеры и нелинейность отклонения луча.