Скачиваний:
19
Добавлен:
01.05.2014
Размер:
472.58 Кб
Скачать

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.

Δ – 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 10^3 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 10^8 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 ~10^5. 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: 0.1÷600В

Переменное напряжение: 1÷600В

Сопротивление: 10Ом÷100Мом

Импульсные вольтметры.

Для измерения амплитуды сигналов различной формы.

Особенности:

  1. Малая длительность измеряемых импульсов 10÷100нс

  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 6÷15% основная погрешность. 0.1мкВ÷1В. 10Гц÷100кГц.

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.

28. Обобщенная структура осциллографа.

ВД – входной делитель – масштабирование входного сигнала

ПУ – пусковое устройство – пуск канала вертикального отклонения

ЛЗ – линия задержки – для задержки входного сигнала на некоторое время, время срабатывания ГР

ВУ – выходной усилитель – для формирования сигнала, управляющего непосредственно пластинами вертикального отклонения.

УВО – усилитель вертикального отклонения

КА – калибратор амплитуд – генератор прямоугольных импульсов с известными значениями амплитуды и частоты. Таким образом, при калибровке устанавливаются нормированные значения амплитуды и частоты, по которым осуществляется настройка коэффициентов отклонения и развертки.

КД – калибратор длительности

БС – блок синхронизации – для получения устойчивой картинки, для чего частота ГР делается переменной

ГР – генератор развертки – формирование пилообразного сигнала

УГО – усилитель горизонтального отклонения

Нормировка погрешности.

4 класса: 1(3%), 2(5%), 3(10%), 4(12%) – для Ко и Кд.

Эта погрешность нормируется, когда на вход осциллографа подаются нормированные сигналы (меандр или синус).

Если период наблюдаемого сигнала кратен частоте ГР, то видим стационарную картинку. Для компенсации времени сдвига используется ЛЗ.

Ждущая и автоматическая синхронизация: в режиме ждущей ГР запускается только одновременно с приходом наблюдаемого сигнала.

Закрытый вход – проходит только переменная составляющая, Открытый – постоянная тоже.

29 – 30 . Цифровые измерительные устройства.

Это устройства, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы цифровой информации и показания представляются в цифровом виде.

Вырабатывает цифровой код в соответствии с измеряемой величиной, при этом непрерывная аналоговая величина квантуется по уровню и дискретизируется во времени.

Дискретизация во времени– преобразование, при котором значение величины отличается от 0 и совпадает с соответствующим значением измеряемой величины только в определенные моменты времени. Промежутки между этими значениями – шаг дискретизации.

Квантование по уровню– преобразование, при котором непрерывная аналоговая величина принимает фиксированные, квантованные значения. Эти значения – уровни квантования или кванты.

Важной характеристикой является правило отождествления измеряемой величины и уровней квантования. ---------------- 30 --------------------

Основные методы преобразования непрерывной величины в код.

Метод последовательного счета– обладает максимальным временем измерения, но самый дешевый.

Метод последовательного приближения– каждый следующий шаг – половина предыдущего.

Метод считывания– одновременное сравнение измеряемой величины со всеми уровнями квантования сразу. Время измерения самое маленькое, но дорогой.

--------------------------------------

Классификация ЦИУ.

По способу преобразования:

  1. последовательного счета

  2. последовательного приближения

  3. считывания

По виду измеряемой величины

По способу усреднения измеряемой величины:

  1. мгновенных значений

  2. усредняющие (интегрирующие)

По режиму работы:

  1. циклического действия (по жесткой программе)

  2. следящие – отслеживают изменения квантующей величины на некоторое значение

31 Основные метролог характеристики ЦИУ.

Статические:

  1. погрешность дискретности (квантования)

  2. чувствительности

  3. реализации уровней квантования

  4. от действия помех

Погрешность дискретности.

  1. Измеряемая величина отождествляется с ближайшим большим или равным уровнем.

  2. С ближайшим меньшим или равным.

  3. С ближайшим уровнем.

Погрешность квантования – методическая. Систематическая – мат ожидание.

Погрешность чувствительности. Возникает в следствии неидеальности сравнивающего устройства.

Погрешность от реализации уровней квантования.

Δд – методическая; Δч, Δр – инструментальная

Если смещение уровней квантования зависит от номера уровня, то погрешность .

Погрешность, возникающая при квантовании временного интервала. При измерении временного интервала используются квантующие импульсы известной частоты.

Погрешности от временного сдвига старт- и стоп-импульсов относительно квантующего.

Старт-импульс синхронизируют с половиной периода квантующего импульса.

Класс точности c/d.

34 Время-импульсный цифровой вольтметр. (+30)

Измеряемое Uxпреобразуется во временной интервалTx, который в свою очередь измеряется путем квантования импульсами стабильной частотыf0 и подсчетом этих импульсов за времяtxпреобразуется в код.

Угол наклона Ukили скорость его формирования известны.

Источник погрешностей ВИЦВ.

32 – 33 Динамические погрешности ЦИУ.

- динамическая погрешность первого рода, обусловлена апериодическими свойствами входной цепи.

Пусть преобразование аналоговой величины в квантованную происходит методом последовательного счета. определяется временем преобразования.

, где М1 – модуль максимум первой производной сигнала – скорость его изменения.

Помехоустойчивость – способность устройства функционировать при действии помех.

Помехозащищенность ЦИП– способность устройства производить измерения с требуемой точностью.

Uпн– источник действия помехи нормального вида

Ux– измеряемый источник

Uпоб– эквивалентный источник помехи общего вида

Rв,Rн – сопротивление соединительных проводов

Rиз – сопротивление изоляции

Rзк – сопротивление заземления контура

Rзи – сопротивление заземления источника

Помеха нормального вида– наводка на соединительные провода, суммируется с входным измеряемым сигналом.

Помеха общего вида– разность потенциалов между точками заземления источника

Помеха нормального вида имеет гармонический характер. Борьба с ней за счет интегрирования входного сигнала.

Некоторые сведения из теории вероятности.

Первый начальный момент– мат ожидание – центр группирования с.в.

Второй центральный момент– дисперсия – степень рассеивания с.в.

13 – 14 Динамический режим средства измерения.

  1. Дифференциальное уравнение

  2. Переходные и импульсно-переходные характеристики

  3. Частотные характеристики

  4. Передаточные функции

Поведение средства измерения в динамическом режиме может быть описано линейным неоднородным дифференциальным уравнением с постоянными коэффициентами.

Пусть статическая погрешность равна 0.

Общее решение невозможно. Удобно рассмотреть поведение средства измерения отдельно для переходного и установившегося режима. Для устойчивых средств измерения свободные колебания носят затухающий характер. Время установления показаний выбирается таким, чтобы режим свободных колебаний уже закончился, тогда . В случае, если дифференциальное уравнение, описывающее средство измерения, имеет высокий порядок, то оно разбивается на динамические звенья меньших порядков.

Динамическое звено первого порядка.

Постоянная времени, граничная частота.

Пусть , а также имеет ограниченный спектр.

Дает завышенную оценку, поэтому им следует пользоваться при малых значениях отношения частот.

Если спектр не ограничен, то используется описание в виде переходных и импульсных характеристик.

Динамическое звено первого порядка. Входной сигнал 1(t).

Когда стрелка устанавливается на середину шкалы,

Задаваясь допустимой погрешностью можно определить значение времени установления показаний.

весовая функция.

В основе частотных методов описания средств измерения в динамическом режиме лежит использование частотных характеристик СИ: АЧХ и ФЧХ.

В основе описания динамического режима передаточными функциями лежит преобразование Лапласа.

15 -16 Вероятностное описание погрешностей.

не случайная величина – центр рассеивания значения погрешности при повторных измерениях. Систематическая погрешность– оценка смещения результатов относительно истинного значения.

Дисперсия погрешности– степень разброса значений погрешности относительно мат ожидания. Поскольку разброс определяется только случайной составляющей, то можно приравнять

Числовая характеристика точности измерений, всегда положительна и выражается в единицах измеряемой величины.

Нормальный закон распределения. Закон Гаусса.

Соседние файлы в папке Шпаргалка на метрологию