все лекции методы и средства иик

Измерительные приборы различаются по длине и виду шкалы : равномерная, неравномерная (для измерения нелинейных величин), односторонняя и двухсторонняя.

Отсчет-это число, получаемое по шкале прибора.

Показание прибора-значение физической величины в соответствующих единицах.

По принципу действия различают приборы непосредственной оценки и сравнения с мерой.

Основные характеристики измерительного прибора:

1.Диапазон измерений-область значений, измеряемой величины, для которой нормированы допустимые погрешности средства измерения.

2.Чувствительность-отношение изменения отсчета к изменению значения измеряемой физической величины.

3.Точность - определяется классом точности измерительного прибора.

4.Входное и выходное сопротивление прибора.

5.Входная и выходная емкости (влияет на постоянную времени в цепи).

Классификация измерительных приборов: По принципу действия:

Магнитоэлектрические приборы

Электродинамические приборы

По роду измеряемого тока:

Постоянный (═)

11

Переменный ( )

Постоянный и переменный ( )

По виду измеряемой величины:

R, L, C, U, I

По классу точности:

При нормированной погрешности в процентах от шкалы (предела)

При нормировании шкалы и процентах от длины шкалы

По положению прибора

Горизонтально

Вертикально

По прочности изоляции

Пишется на приборе. Например: 2 кВ

По зажимам:

__, +, ,

Условное обозначение прибора состоит из букв, характеризующих измеряемую величину, и числа (разновидность) и номера типа.

А-используется для приборов измеряющих ток А1используются для проверки амперметров (эталоны)

А3-для амперметров постоянного тока А4-для амперметров переменного тока А7-для универсальных амперметров А9-для преобразователей тока В-вольтметр

В1-используются для проверки вольтметров В2-для вольтметров постоянного напряжения В3-для вольтметров переменного напряжения В4-для вольтметров импульсного напряжения В7-для универсальных вольтметров В9-для преобразователей напряжения

12

Е-измерители R,L,C

Е2-для измерителей полных сопротивлений

Е3-для измерителей индуктивности

Е4-для измерителей добротности

Е6-для активных сопротивлений

Е7-для универсальных приборов

Е8-для измерителей емкости

М-для измерителей мощности

Ч-для измерителей частоты и времени

С-для измерителей формы и вида сигнала, спектральных составляющих

С1-для осциллографов универсальных

С6-для измерителей нелинейных искажений

Х-для измерителей амплитудно-частотных характеристик

У-для измерителей универсальных

Г- для усилительных генераторов

Г2-для генераторов шумовых сигналов

Г3-для низкочастотных генераторов

Г4-для высокочастотных генераторов

Г5-для импульсных генераторов

Сущность измерения

Уравнение измерения.

Точное описание измерительных процедур опирается на корректное определение целей, связанное с развитием методов и средств измерений.

Современные методы измерений все больше используют алгоритмизацию, когда содержательное описание заменяется формализованным.

Цель измерений: установление числового значения физической величины опытным путем. В основе измерения лежит сравнение аналоговой величины с образцовой, удовлетворяющей требованиям единства измерений.

13

Любое измерение сопровождается фиксированием тех или иных факторов. В статических измерениях, входное воздействие рассматривается как реализация случайного измерения.

В основе формализованного описания лежит уравнение измерений, устанавливающее связь результата с входным воздействием и выполненными преобразованиями.

Наличие уравнения измерения позволяет провести метрологический анализ измерительной процедуры и результатов измерений. При его проведении получается результат идеальной реализации принятого алгоритма.

Уравнение измерений имеет несколько разновидностей следующего вида:

(1)

(2)

(3)

-преобразование в аналоговой форме

-преобразование в числовой форме Н- не идеальность принятого метода К- аналогово-цифровой преобразователь

Y-входное воздействие

Г-гипотетичность

(1)-уравнение измерения, которое показывает неидеальность метода

(2)-уравнение измерения, которое представляет собой принятый алгоритм

(3)- гипотетический алгоритм уравнения измерений, который представляет собой истинное значение измеряемой величины.

Основное место среди этих преобразований занимает АЦП, обеспечивающее переход к числовому представлению, т.е. формированию кодовой комбинации некоторого промежуточного значения результата аналогового преобразователя входного воздействия. АЦП предполагает выполнение операции сравнения с мерой, являющейся составной частью соответствующего устройства.

14

Данная операция не исчерпывает всей процедуры сравнения измеряемой величины с единицей этой величины, и далее рассматривается, как ее составная часть, необходимая для формирования результата измерения.

Рассмотрим пример, относящийся к измерению температуры, с помощью измерительной аппаратуры, структура которой изображена на рис.:

Структура измерительного цепи процессорного измерителя температуры.

Д – датчик;

НП – нормирующий преобразователь;

П – процессор.

Измерение температуры сводится к следующему:

Входное воздействие Sj с помощью первичного преобразователя (датчика), трансформируется в электрический сигнал или изменение параметра электрической цепи. НП превращает выходной сигнал датчика в сигнал унифицированный по виду и диапазону измерения. Далее осуществляется АЦП, и с помощью П масштабирование.

В основе измерения лежит сравнение результата обусловленного входным воздействием (t) с аналоговым эффектом образцового воздействия, для которого определяется вид градуировочной характеристики датчика, которая описывает его зависимость выходного сигнала от входного воздействия, и значение коэффициента характеризующего унифицированное преобразование. С учетом этих данных результат АЦП трансформируется П в числовой эквивалент температуры.

Переход от аналоговой величины к числовому эквиваленту сопровождается дескритизацией входных воздействий, поскольку каждое числовое значение соотносится либо с фиксированным моментом времени, либо с фиксированными пространственными координатами.

Обобщенная блок схема измерительной системы (идеализированная).

Характерные черты процесса измерения могут представляться независимо от конкретной приборной реализации в виде идеализированной блок схемы.

установка измерительная система

Присущий измерению, в измерительной установке, процесс нормирования представлен видимой информацией о мере (эталоне) физической величины.

Идеализация этой блок схемы состоит в том, что не учитывается влияние помех на процесс измерения. Информация об измеряемой величине преобразуется измерительным устройством в показания.

Методы измерения.

Методы измерения, понимаемые как способы действий, можно классифицировать с самых разных точек зрения:

-прямые;

-косвенные;

Метод прямого измерения характеризуется тем, что искомое измеряемое значение физической величины находят непосредственным сравнением с образцовой мерой этой величины (измерение веса – сравнение с весом гирь).

К прямым методам относятся все измерительные устройства с непосредственным отсчетом, так как измеренное значение считываемое по шкале, является результатом измерения.

Шкала измерительного прибора должна быть проградуирована по образцовой мере. Не смотря на то, что при этом реализация меры заложенной в измерительное устройство не соответствует измеряемой величине. Тем не менее вследствие проведенной градуировки осуществляется сравнение с мерой.

Косвенные метод измерения характеризуется тем, что искомое измеренное значение зависит от других физических величин, и определяется исходя из этой зависимости. Эталоны производных величин получают из основных эталонов, но средствами косвенных измерений. При косвенном методе измерения следует различать измеренное значение и результат измерения.

Аналоговый и цифровой методы измерения.

16

Измеренное значение представляет собой произведение числового значения на размер соответствующей единицы. В процессе измерения информация об этом числовом значении передается с помощью сигналов. При аналоговом способе измерения устанавливается прямая связь между значением измеряемой величины и значением физической величины сигнала.

Цифровой метод измерения характеризуется тем, что результат измерения вырабатывается в измерительном устройстве или выводится из него. При этом обработка сигнала производится числовым методом.

Аналоговый и цифровой методы имеют свои достоинства и недостатки, и в обработке сигналов, и в выводе данных.

При цифровом методе отсчет считывается без ошибки. При аналоговом методе преобразование показания в число производится оператором, при этом точность отсчета за ранее не определяется и зависит от интерполяции. В тоже время, аналоговый сигнал имеет большую наглядность, передает больше информации. А обработка сигнала производится непрерывно, что повышает динамические свойства измерительной системы.

С другой стороны аналоговые методы по сравнению с цифровыми являются менее точными, но зато их можно использовать для измерения самых разных физических эффектов. Скорость передачи информации при аналоговом сигнале выше, чем при цифровом. Но важное преимущество цифрового метода в хорошей помехозащищенности сигнала.

Метод отклонения. Компенсационный (нулевой) метод.

Метод отклонения характеризуется тем, что сравнение измеренной величины с мерой, приводит к отклонению механизма сравнения, используемого для индикации значения измеряемой величины.

Структурные схемы этого метода характеризуются последовательной цепью прохождения взаимодействий.

устройство сравнения

При реализации метода возникают некоторые трудности. Например: для пружины – трудность состоит в обеспечении точности и линейной ее

17

характеристики при больших отклонениях. Например: размеры опор рассчитываются (обычно) на максимальный сигнал, при этом ухудшается чувствительность механизма, появляются нелинейные характеристики на минимальных значениях. Также возможно обратное воздействие процесса измерения на сам процесс, и соответственно на измеряемую величину. Например: по методу отклонения: при высоком напряжении источника – шунтирование цепи, следовательно, вносится погрешность.

Примером компенсационного (нулевого) метода является определение массы или веса тела, весами типа:

Измеряемая величина компенсируется величиной воспроизводимой мерой. Разность этих величин поддерживается малой, независимо от размера измеряемой величины. Поэтому нуль-прибор рассчитан для работы только в области нуля, благодаря этому достигается его чувствительность и устраняется нелинейность, которая возникает при большом отклонении измеряемой величины.

В уравновешенном состоянии нуль-прибор не нагружен. Поэтому исключено воздействие измеряемой величины на процесс. Здесь все зависит от точности мер.

Пример структурной схемы компенсационного метода.

5

хn

1– чувствительный элемент;

2– преобразователь;

18

3 – нуль-прибор;

4 – 5 – человек-вычислитель;

6– измер. мера;

7– устройство предоставления результата.

Близким методу компенсации является метод замещения, применяемый при использовании весов. в этом случае величина, подлежащая измерению, дополняется изменяющейся мерой до значения, компенсирующего значение измеряемой величины. Плюс такого метода – постоянная нагрузка на систему, систематическая ошибка не зависит от измеряемой величины. Однако процесс балансировки требует времени и его нельзя ускорить без снижения запаса устойчивости.

Рассмотрим 2 примера нулевого метода:

1.потенциометрический

+

R может быть проградуирован в величинах напряжения.

19

2.мостовой

R2

R1

U1

Эталон

напряжения

Ux

Rx

В нуль-индикаторе мостового типа регулируется R1 пока напряжение U1 не станет равным Ux

В практических двухдиапазонных схемах часто устанавливают сначала грубо ожидаемое значение, а затем на втором диапазоне подстраивают.

Погрешности измерений и причины погрешностей

Представительность измеренной величины.

Для проведения процесса измерения необходимо выполнение двух основных предпосылок, по которым и измеряемая величина, и мера должны быть предварительно определены. Для общего применения измерительной техники с целью познания процесса или состояния объекта необходимо выполнение еще одного условия – измерение должно быть представительным. Это обеспечивается в том случае, если из измеряемого значения при помощи количественной закономерной зависимости (заданного закона) можно сделать заключение об измеряемом качестве объекта измерения. Если это условие не выполняется, то есть используемый заданный закон не корректен или не выполняется условие применения закона, то возникает погрешность представительности.

На практике такие ошибки возникают достаточно часто. Примеры: измерение температуры в одном месте объема и распространение этого значение на весь объем в целом; закон не подходит для изменяющихся условий измерения.

20