- •Содержание
- •Предисловие
- •ВвЕдение
- •1. Структура аналоговых средств измерения
- •1.1. Назначение, области применения. Принципы построения, характеристики и основные элементы аиу
- •1.2. Классификация и структурные схемы аиу
- •Электрические двигатели. Электрические двигатели, используемые в схемах регистрирующих приборов, предназначены для перемещения носителя и регистрирующего органа.
- •1.4. Информационные сигналы аиу
- •1.4.1. Основные процессы преобразования измерительных сигналов
- •1.5. Аналоговые электроизмерительные приборы с регистрирующими устройствами
- •1.5.1. Принципы построения, характеристики и узлы. Методы регистрации
- •1.5.2. Структурная схема приборов прямого действия. Погрешности приборов прямого действия
- •1.5.3. Самопишущие приборы
- •1.5.4. Самопишущие приборы обычного быстродействия (сп)
- •1.5.5. Быстродействующие самопишущие приборы (бсп)
- •1.5.6. Светолучевые осциллографы (сло)
- •1.6. Автоматические измерительные приборы
- •Компенсационный метод измерения электрических величин
- •1.6.2. Автоматические компенсаторы (типа ксп) для измерения напряжения и температуры. Типы. Схемы. Статические и динамические характеристики
- •1.6.3. Назначение автоматических электроизмерительных мостов (ксм). Мосты постоянного тока. Пределы и точность измерения
- •Технические характеристики
- •1.6.4. Мосты переменного тока. Условия равновесия. Основные типы мостов переменного тока
- •Основные типы мостов переменного тока
- •1.6.5. Автоматические мосты с регулирующими устройствами. Двухкоординатные автоматические самописцы
- •4.1. Электромеханические измерительные устройства
- •4.1.1. Магнитоэлектрические приборы. Области применения и свойства. Устройство и принцип действия приборов
- •4.1.2. Магнитные системы электроизмерительных приборов и устройств. Назначение магнитных систем. Расчет магнитных систем
- •4.1.3. Основные требования при проектировании магнитных систем
- •4.1.5. Измерительные цепи приборов
- •4.2. Электромагнитные приборы
- •4.2.1. Свойства и классификация приборов
- •4.2.2. Конструкции измерительных механизмов
- •4.2.4. Основные виды погрешности и способы уменьшения
- •4.3. Электродинамические (эд) приборы
- •4.3.1. Области применения и свойства приборов
- •4.3.2. Измерительные механизмы электродинамических приборов
- •4.3.3. Вращающий момент. Методика расчета
- •4.3.4. Измерительные цепи. Погрешности ваттметра
- •4.3.5. Порядок расчета ваттметра
- •4.4. Ферродинамические приборы
- •4.4.1. Свойства и области применения приборов
- •4.4.2. Конструкции измерительных механизмов
- •4.4.3. Измерительные цепи и погрешности
- •4.5. Электростатистические приборы
- •4.5.1. Общие сведения об измерительных механизмах. Конструкция и принцип действия приборов
- •Конструкция и принцип действия приборов
- •4.5.2. Схемы включения
- •4.5.3. Погрешности и методы компенсации
- •2: Электронные узлы измерительных каналов и автономных приборов
- •2.1. Электронные вольтметры
- •2.1.1. Общие сведения. Универсальные вольтметры
- •Универсальные вольтметры
- •2.1.2 Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное
- •2.1.3. Микровольтметры постоянного тока. Милливольтметры переменного тока
- •Милливольтметры переменного тока
- •2.1.4. Импульсные вольтметры
- •2.2. Электронные осциллографы
- •2.2.1. Области применения и свойства
- •2.2.2. Характеристики электронных осциллографов и способы их определения
- •2.2.3. Классификация осциллографов и их структурные схемы
- •2.2.4. Электроннолучевая трубка (элт) с электростатическим отклонением луча
- •2.2.5. Усилители вертикального и горизонтального отклонения лучей
- •2.2.6. Генераторы развертки. Назначение. Схема. Синхронизация генераторов развертки
- •Синхронизация генераторов развертки
- •2.2.7. Вспомогательные устройства
- •Предельное значение погрешности этого метода можно определить из соотношения
- •Погрешность такого измерения
- •2.3. Электронные приборы для анализа характеристик сигналов
- •2.3.1. Анализаторы спектра. Назначение. Элементы. Характеристики
- •Аппаратурно можно получить текущий спектр сигнала
- •2.3.2. Структурные схемы анализаторов спектра
- •2.4. Измерительные генераторы
- •2.4.1. Нормируемые параметры и классификация измерительных генераторов
- •2.4.2. Иг синусоидальных сигналов. Общие характеристики
- •2.4.3. Схемы и параметры задающих генераторов синусоидальных колебаний Генераторы lc
- •Генераторы rc
- •Генераторы на биениях
- •2.4.4. Импульсные генераторы
- •2.5. Электроизмерительные приборы с оптоэлектронными отсчетными устройствами
- •2.5.1. Принцип действия оптоэлектронных приборов. Свойства электроизмерительных приборов и области их применения
- •2.5.2. Принципы построения и структурные схемы аналого-дискретных оэп
- •3. Нормирование и анализ метрологических характеристик аиу
- •3.1. Государственная система обеспечения единства измерений. Основные положения
- •3.2. Нормируемые метрологические характеристики результатов и средств измерений
- •3.3. Формы представления нормируемых характеристик. Требования гост 8.009-84
- •3.4. Абсолютная и относительная погрешности, приведенная погрешность. Основная погрешность
- •3.5. Статическая и динамическая погрешности. Класс точности
- •3.6. Динамические характеристики и принципы их коррекции
- •3.7. Методы уменьшения погрешностей аиу
- •3.7.1. Классификация методов
- •3.7.2. Стабилизация реальной характеристики преобразования
- •3.7.3. Компенсация погрешностей
- •3.7.4. Коррекция погрешностей
- •3.7.5. Фильтрация погрешностей
- •3.7.6. Уменьшение динамической погрешности
- •3.7.7. Конструктивные способы улучшения точности работы аиу
- •Список литературы
Предисловие
Научно-технические достижения в микроэлектронике и вычислительной технике определяют и дальнейшее применение аналоговых измерительных устройств и систем и обуславливают их совершенствование. Задача проектирования на современном этапе заключается как в расширении функциональных возможностей, так и в использовании новых принципов построения преобразователей измеряемых процессов. Развивается направление по созданию программных функциональных элементов на основе интегральных микросхем и микропроцессорных устройств. Применение ЭВМ, как составной части измерительной системы, позволяет качественно улучшить функциональные характеристики и повысить информационные показатели аналоговых измерительных устройств. При этом возникает необходимость расширенного применения обратных связей, освоения и использования математического аппарата анализа процессов передачи и обработки сигналов, применения и разработки цифровых функциональных элементов.
Аналоговые измерительные устройства рассматриваются в традиционной классификации – электромеханические и электронные приборы, которые, учитывая их глубокую многолетнюю проработку, применяются при лабораторных исследованиях аналоговых сигналов различной природы и в производственной практике. Рассматриваются различные типы электроизмерительных аналоговых устройств, их назначение, области применения, статические и динамические характеристики, специфические погрешности. Приводятся методики расчета и проектирования элементов и узлов приборов, а также рассматриваются методы улучшения технических, эксплуатационных характеристик.
Конечной задачей аналоговых измерительных устройств является реализация результатов измерения, но в измерительных цепях таких систем осуществляются различного рода преобразования и определенная обработка входного сигнала, что открывает перспективы расширения применения средств вычислительной техники – аналоговых, цифровых и их сочетаний.
В современных производственных процессах для измерения, контроля и управления довольно широко применяются аналоговые измерительные преобразователи, что определяет развитие технологического приборостроения- разработку и совершенствование приборов, построенных на новых физических принципах. К приборам этого направления можно отнести и оптоэлектронные, лазерные, молекулярно-электронные устройства измерения аналоговых технологических процессов. Особенностью таких конструкций является, измерение медленно протекающих аналоговых процессов, возможность управления собственными параметрами, что открывает перспективы разработки адаптивных систем с использованием автоматизированной обработки сигналов и управления технологическим процессом.
ВвЕдение
Аналоговые измерительные устройства, как дисциплина, является неотъемлемой частью специальности "Информационно-измерительная техника и технологии". Практически все измерения начинаются с аналогового преобразования измеряемых процессов и сигналов. В современных АИУ осуществляются различные функциональные преобразования и потому их структурные представления, конструктивные исполнения носят многообразный характер, имея обобщенные для определенных видов и типов устройств, принципиальные подходы к проектированию и расчетам параметров.
АИУ представляют собой важную группу технических средств измерения и обработки информации. Простота, удобство пользования, высокая точность, широкий частотный и динамический диапазоны, наглядность показаний, регистрация и сохранение информации, высокая надежность определяют широкое распространение аналоговых приборов и устройств в различных отраслях науки и техники. Производство аналоговых приборов по типам, количеству, назначению, определяемое их потребностью остается в мировой практике на высоком уровне. Ведутся работы по дальнейшему совершенствованию конструкций приборов, по разработке устройств, использующих новейшие достижения в фундаментальных науках и смежных научно-технических направлениях - физики, химии, материаловедении, электронике и др. Применение современной полупроводниковой и микропроцессорной техники позволяет разрабатывать приборы без электромеханических элементов, что определяет повышение качества, надежности, переход на автоматизацию производства.
Научные направления измерительной техники, включающие и аналоговые измерения, и устройства определяется исследованиями и публикациями многих ученых и специалистов. Из множества публикаций следует отметить монографию Новицкого Н.В., разработавшего основы информационной теории измерительных систем и систематизацию устройств и приборов; работы Браславского Д.А., Рабиновича В.И. и Цапенко М.П., Островского Л.А. Заметный вклад внесли работы Темникова Ф.Е., Афонина В.А. и Дмитриева В.М. Развитие информационной теории измерений получило в работах Орнатского П.П. , Мандельштамма С.М.
Большое значение в разработках измерительных приборов и устройств имеют работы и достижения специалистов и ученых в области теории и практических разработок систем автоматического управления и регулирования. Необходимо отметить таких авторов как СолодовниковВ.В., Петров Б.Н., Гаврилов А.Н., Агеев В.М. , Боднер В.А., Шаталов А.С. и др.
Основные теоретические положения синтеза, анализа и проектирования средств измерительной техники с применением современных виртуальных технологий представлены в учебнике Раннева Г.Г. и др. "Основы информационно-измерительной техники”
Историческая справка. Измерение и измерительные устройства имеют весьма давнее происхождение: они относятся к истокам материальной культуры человечества. Когда человек научился применять орудия труда и воздействовать ими на окружающую его природу, он стал производить измерения и создавать измерительные приспособления и устройства. Еще за несколько тысячелетий до н.э. развитие товарооборота привело к измерению веса и появлению весов, появились устройства для измерения площади и времени. Технический прогресс непосредственно связан с измерениями.
В 16-18 в.в. совершенствование измерительной техники шло вместе с развитием физики, которая основывалась на экспериментах, проводимых на измерительных процессах и устройствах. К этому времени относятся усовершенствование часов, изобретение микроскопа, барометра, термометра, первых электроизмерительных устройств, используемых, главным образом, в научных исследованиях. В создании измерительных приборов и разработке их теории принимали участие крупные ученые - Г.Галилей, И.Ньютон, Х.Гюйгес, Р.Рихман и др.
В конце 18 в. и первой половины 19 в. в связи с появлением паровых двигателей и развитием машиностроения повысились требования к точности обработки деталей - разрабатывались измерительные машины, вводятся калибры. В 19 в. были созданы основы теории измерительной техники и метрология. Методы точных измерений, основы которых разработал Д.И.Менделеев, опубликовавший на эту тему более 50 работ, являются неотъемлемой частью современных измерительных технологий. Огромное значение в этих направлениях имели труды К. Гаусса, разработавшего метод наименьших квадратов, теорию случайных погрешностей, абсолютную систему единиц (CGSE) и заложившего вместе с В.Вебером основы магнитных измерений.
С развитием электроэнергетических установок появились электроизмерительные приборы. Начало 20 в. знаменует новый этап в развитии измерительных устройств - электрические, позднее электронные средства используют для измерения механических, тепловых, оптических величин, для химического анализа и т. п.
Качественный скачок произошел, когда измерительная техника выступила как отрасль кибернетики, занимающаяся получением и преобразованием измеряемой информации, наряду с такими отраслями как автоматика и вычислительная техника.
Современная измерительная аппаратура предназначается не только для воздействия на органы чувств человека, но и для автоматической регистрации и математической обработки результатов измерения и передачи их на расстояние или для автоматического управления какими-либо процессами. В приборах и системах на различных участках измерительных каналов используются механические, электрические, пневматические, гидравлические, оптические, акустические сигналы, амплитудная, частотная и фазовая модуляции, широко применяются импульсные и цифровые устройства, следящие системы.
Процесс измерения состоит в целенаправленном преобразовании измеряемой величины в форму, удобную для конкретного использования (восприятия) человеком или машиной. Смысл действия электроизмерительных приборов заключается в том, что измеряемая величина, изменение которой непосредственно органами чувств человека не может быть оценена количественно, преобразуется в определенное механическое перемещение указателя или устанавливается с помощью цифровых индикаторов.
Основные преимущества использования аналоговых электрических методов - простота регулирования чувствительности, малая инерционность, возможность одновременного измерения многих различных по своей природе величин, удобство комплектации из типовых блоков электронной аппаратуры управляющих машин и информационно-измерительных систем.
Измерения - важнейший этап деятельности исследователей и экспериментаторов во всех отраслях науки и техники. Измерительные устройства - основное оборудование НИИ и лабораторий, неотъемлемая часть любого технологического процесса, главный полезный груз метеорологических и межпланетных ракет, космических станций. Современная измерительная техника имеет ряд направлений в соответствии с областью применения устройств и типами измеряемых величин. Отдельно существуют отрасли, отличающиеся особыми подходами к процессу измерения, Таким отдельным направлением для АИУ являются первичные преобразователи (датчики) неэлектрических величин или телеметрия (измерение на расстоянии). Развиваются отдельные отрасли промышленного приборостроения - авиационное, аналитическое, геофизическое, медицинское.
В тенденции развития измерительной техники можно выделить:
-повышение качества приборов, снижение погрешностей, увеличение быстродействия, повышение надежности;
-расширение области применения в направлении расширения диапазонов измерения, а также в плане ужесточения условий эксплуатации;
-переход к цифровым методам не только в области измерения электрических величин, но и в других областях; при этом аналоговые устройства по-прежнему широко применяются и совершенствуются;
- развитие системного подхода к унификации и стандартизации т.е. установление единых количественных и качественных требований к сырью, полуфабрикатам, готовым изделиям, материалам и методам;
-широкое внедрение методов логической и математической обработки;
-миниатюризация средств измерения с использованием новейших достижений науки, в частности физики твердых тел, наноэлектроники;
-применение для построения измерительных устройств новых физических закономерностей и процессов, например использование свойств жидкокристаллических тел и жидких сред, фазовых переходов и др.
Важной задачей является формирование общих теоретических основ измерительной техники на основе математического представления процессов преобразования, машинного проектирования, с учетом решаемых задач гносеологии (теории познания).