Тема2.Методи порівняння з мірою та методи реєстрації

В залежності від зміни у часі вимірювальної величини, розрізняють наступні похибки засобів вимірювання:

1) статична – похибки при вимірюванні постійної у часі величини;

2) динамічна – різниця між похибкою в динамічному режимі і статичною похибкою, що відповідає значенню вимірювальної величини в даний момент часу.

Залежно від характеру і причин їх появлення похибки вимірювань засобів вимірювання поділяють на:

- систематичні (детерміновані)

- випадкові (стохастичні).

Систематична похибка – складова похибки вимірювання, яка при повторенні рівноточних вимірювань незмінного розміру залишається постійною або закономірно змінюється. Систематичні похибки можуть бути вивченими, і результат вимірювання уточнюється або шляхом внесення поправок, якщо числові значення цих похибок визначені, або шляхом застосування таких способів вимірювання, які дають можливість виключити вплив систематичних похибок без їх визначення. Числові значення систематичних похибок визначаються шляхом повірки засобів вимірювання.

Залежно від умов застосування засобів вимірювання їхні систематичні похибки поділяють на:

– основні;

– додаткові.

Основною похибкою називається похибка засобів вимірювання в умовах, які встановлено нормативно-технічними документами як нормальні для даних засобів вимірювання. Ця похибка обумовлена головним чином факторами інструментальних похибок, що є наслідком недосконалості конструкції або принципу дії засобу вимірювання.

Додатковими похибками називають зміни похибки засобу вимірювання, викликані відхиленнями величин, які не залежать, від нормальних значень. Так, додаткова похибка може бути обумовлена такими похибками:

- встановлення - тобто відхилення положення стрілочного приладу від передбаченого горизонтального або відхилення величин, які впливають, (температури, вологості тощо) від їхніх нормальних значень;

- методу, що є наслідком недосконалості теорії методу вимірювань, використання наближених формул тощо;

- особистими, обумовленими психофізіологічними особливостями експериментатора (втома, недостатня гострота зору, схильність до завищення або заниження відліку тощо).

Випадкова похибка - складова похибки вимірювання, яка при повторенні вимірювання змінюється випадково. Випадкові похибки можуть бути виявленими при повторних вимірюваннях однієї й тієї самої величини, коли отримуються неоднакові результати, їх не можна виключити (тому що невідомі причини, що їх викликали), але їхній вплив на результат вимірювання може бути теоретично врахованим при обробці результатів вимірювання методами теорії ймовірності та математичної статистики.

Розрізняють також:

– грубі похибки;

– промахи.

Груба похибка вимірювання - похибка, яка суттєво перебільшує очікувану.

Промах - наслідок несправності засобу вимірювання, помилкового зчитування показників, їхнього запису тощо.

Абсолютна похибка – це різниця між виміряною величиною (показником приладу ) і дійсним значенням вимірюваної величини, тобто для вимірювання

а для приладу .

Відносна похибка є відношення абсолютної похибки до значення вимірювальної величини:

Наведена похибка (у %) виражається як відношення абсолютної похибки до нормувального значення :

При цьому вибирають рівним:

більшій межі вимірювання, якщо нульове значення є початком шкали або знаходиться поза діапазоном вимірювання;

більшому з модулів меж вимірювання, якщо нульове значення знаходиться всередині діапазону вимірювання (для електровимірювальних приладів - сумі модулів меж вимірювання);

модулю різниці меж вимірювання, якщо шкалу прийнято з умовним нулем (шкала в °С);

номінальному значенню для засобів вимірювання з номінальним значенням вимірюваної величини (частотомір з діапазоном вимірювання 45...55 Гц з );

всій довжині шкали або її частині, рівній діапазону вимірювання (при цьому абсолютну похибку виражають також в одиницях довжини).

Клас точності засобу вимірювання — узагальнена його характеристика, яка визначається межами основної і додаткової похибок, а також іншими властивостями засобу вимірювання, які впливають на його точність.

Для кожного класу точності в стандартах на засоби вимірювання конкретного виду встановлюють конкретні вимоги до метрологічних характеристик, які в сукупності відображають рівень точності засобу вимірювання цього класу.

Засобам вимірювання з двома або більше діапазонами вимірювання однієї тієї самої фізичної величини дозволяється присвоювати два або більше класів точності.

Межі допустимих основної і додаткової похибок засобу вимірювання певного класу точності виражають у формі абсолютних, відносних і наведених похибок залежно від характеру їхнього зв'язку з інформативним параметром вхідного або вихідного сигналу.

Межі допустимої абсолютної основної похибки встановлюють за формулою

або

,

де і — додатні числа, не залежні від .

Межі допустимої наведеної основної похибки

де а - додатне число, вибране із ряду

,

де

Межі допустимої відносної основної похибки визначають з рівняння

,

Ряди класів точності встановлюються в ДСТУ на окремі види засобів виміру.

На циферблати, щитки та корпуси засобів вимірювання умовні позначення класів точності наносять у вигляді чисел залежно від форми вираження похибок.

В практиці електричних вимірювань виникає потреба вимірювання ряду фізичних величин у широкому діапазоні. Для розширення діапазону вимірювання приладів застосовують вимірювальні перетворювачі: шунти, додаткові резистори, подільники напруги, вимірювальні трансформатори тощо.

Для оцінки властивостей електровимірювальних приладів, визначення можливості їх застосування в тих чи інших експлуатаційних умовах, надійності і інших показників застосовують наступні характеристики.

ЧутливістьS електровимірювального приладу до вимірювальної величини називається похідна від переміщення показника по виміряній величині:

Вираз (1) являє собою чутливість приладу в певній точці шкали. Якщо стала, тобто прилад має рівномірну шкалу то чутливість дорівнює відношенню зміни положення вказівника до зміни вимірювальної величини. Це визначення чутливості не поширюється на інтегруючі і цифрові прилади.

Величина зворотна чутливості, називається сталою приладу:

Сталу приладу з рівномірною шкалою ще називають ціною поділки шкали.

Взагалом ціна поділки шкали – різниця значень величини, що відповідають двом сусіднім відміткам шкали. Для цифрових засобів вимірювання вказують ціну одиниці молодшого розряду, вид вихідного коду і кількість розрядів кода.

Поріг чутливості – найменше значення вхідної величин, яке викликає фіксовані приладом зміни вхідної величини. Поріг чутливості виражають в одиницях вхідної величини.

Діапазон вимірювання – область значень вимірювальної величини, для якої нормовані допустимі похибки засобів вимірювання. Діапазон вимірювань обмежується найбільшим і найменшим його значенням. Область значень шкали, обмежену початковим та кінцевим значенням шкали, називають діапазоном показань.

Для оцінки впливу зособів вимірювання на режими роботи об’єкта дослідження вказують вхідний повний опір . Вхідний опір впливає на потужність, що споживається від об’єкта дослідження зособом вимірювання. Допустиме навантаження на засіб вимірювання залежить від вихідного повного опору засобу вимірювання. Чим менше вихідний опір, тим більше допустиме навантаженняна засіб вимірювання.

Як динамічна характеристика засобів вимірювання використовується перехідна функція та імпульсна перехідна функція.

Перехідна функція – відгук (реакція) лінійної динамічної системи на вхідний вплив у вигляді одиничної функції .За перехідною функцією можна визначити динамічні параметри системи: час реакції; постіну часу ,яка характеризує інерційність системи; коефіцієнт перетворення тощо.

Імпульсна перехідна функція – відгук динамічної системи на вхідний вплив у вигляді дельта-функції.

Мета повірки – з’ясувати, чи відповідає точність засобу вимірювання регламентованим значенням і чи є воно придатним для застосування. Повірка, по суті, є однією з ланок багатоступінчастого процесу передачі розміру одиниці від еталона до робочого засобу вимірювання.

В основі повіряння шляхом прямого порівняння лежить одночасне вимірювання однієї й тієї ж самої величини повірним і зразковим засобами вимірювання. Основною операцією повіряння засобів вимірювання є визначення їхніх похибок.

При виборі зразкових засобів вимірювання для визначення похибки і варіації показників повірного приладу треба дотримуватися таких умов:

1. ,

де – допустимі похибки відповідно зразкового і повірного приладів.

Точність зразкового приладу повинна бути в 3…4 рази більше точності повірного.

2. Межа вимірювання зразкового приладу повинна дорівнювати верхній межі повірного приладу або незначною мірою перевищувати її.

Значення вимірюваної величини подається на зразковий і робочий (повірний) прилади, з відлікового пристрою яких знімаються дійсне і виміряне значення величини .

Електромеханічний прилад складається з двох основних частин: вимірювального кола і вимірювального механізму.

Вимірювальне коло слугує для перетворення вимірюваної величини в іншу, безпосередньо діючу на вимірювальний механізм.

У вимірювальному механізмі електрична енергія перетворюється в механічну енергію переміщення рухомої частини. Зазвичай застосовується кутове переміщення, тому в подальшому будуть розглянуті не сили, діючі в приладі, а моменти.

Момент, що виникає в приладі під дією вимірювальної величини, називається обертовим моментом Він повинен однозначно визначатися вимірюваною величиною і в загальному випадку може залежати також від кута повороту рухомої частини.

Для електромеханічних приладів може бути записано загальний вираз обертового моменту, що являє собою загальне рівняння динамічної системи:

де – енергія електромагнітного поля, зосереджена у вимірювальному механізму.

За способом перетворення електромагнітної енергії в механічну енергію (за способом створення обертового моменту) електромеханічні прилади поділяються на:

- магнітоелектричні;

- електромагнітні;

- електродинамічні;

- електростатичні;

- вібраційні

- індукційні.

Для того, щоб кут відхилення залежав від вимірювальної величин, в приладі при повороті рухомої частини створюється протидійний момент направлений зустрічно обертовому і залежить від кута повороту.

По способу створення протидійного моменту прилади поділяються на прилади:

а) з механічним протидійним моментом;

б) з електричним протидійним моментом – логометри.

В першій групі приладів створюється звичайно за допомогою пружного елементу (пружини, розтяжки чи підвісів), які при повороті рухомої частини закручуються. При цьому протидійний момент:

,

де залежить тільки від властивостей пружного елементу і називається питомим протидійним моментом.

В логометрах створюється тим же шляхом, що і обертовий момент.

При усталеному положенні показника обертовий і протидійний момент рівні між собою тобто:

Знаючи аналітичні вирази для моментів (1) можна знайти залежності кута повороту рухомої частини від вимірюваної величини і параметрів приладу, що в загальному вигляді можна представити наступним чином:

,

де – параметри приладу.

При роботі приладів в динамічному режимі, тобто при переміщенні стрілки. Крім розглядуваних вище статичних моментів – обертового і протидійного – виникають і інші моменти. Вони обумовлені моментом інерції рухомої частини, опором оточуючого середовища і вихровими струмами, що виникають при наявності металічних масс і магнітних полів.

Динамічний момент, що виникає в приладі при рухові рухомої частини і намагається заспокоїти цей рух, називається моментом заспокоєння . Цей момент пропорційний коефіцієнту заспокоєння та кутовій швидкості рухомої частини . Момент заспокоєння в значній мірі визначає важливий експлуатаційний параметр приладу – час заспокоєння.

Запитання для самоперевірки

1 Основні типи заспокоювачів

2 Пристрої для створення врівноважуючого момента

3 Призначення коректора

4 Які прилади не мають коректора

5 Призначення аретиру

6 Як визначити ціну поділки та чутливість приладу

7 Методи захисту приладів від зовнішніх магнітних полів

8 Методи захисту приладів від зовнішніх електричних полів

Призначення шунтів

10 Призначення додаткових опорів

11 Розрахункова формула опору шунта

12 Розрахункова формула опору додаткового резистора

13 Схема ввімкнення шунта

14 Схема ввімкнення додаткового опору

15 Чисельна характеристика основної похибки вимірювань

16 Яка похибка називається випадковою

17 Що визначає довірчий інтервал похибки

18 Яка похибка називається систематичною

Тема2.Методи порівняння з мірою та реєстрації електричних величин.

Теорія мостових схем.

Мости постійного струму

Мости змінного струму

Методи реєстрації електричних величин.

Класифікація засобів реєструючої техніки.

Само друкуючі прилади прямої дії, осцилографи.

Методичні вказівки

Порівняння вимірюваної величини з мірою відбувається при довільних вимірах. Але в приладах безпосередньої оцінки міра вимірюваної величини в процесі вимірювання не використовується. В цьому випадку вимірювана величина перетворюється в іншу, яка порівнюється з мірою проміжної величини використовується при градуїровці приладу.

У великій групі засобів виміру реалізується метод порівняння вимірюваної величини з мірою цієї величини і виміру полягають у встановленні рівності чи певного співвідношення між значеннями вимірюваної величини і міри.

В приладах і пристроях зрівняння може бути використана міра однорідна з вимірюваною величиною чи неоднорідна. Наприклад при вимірах індуктивності за допомогою моста змінного струму в якості міри можна використовувати ємність конденсатора. В цих випадках визначення значення вимірюваної величини виконується на основі відомої математичної залежності вимірювальної величини від міри, яка реалізується в засобі вимірювання.

Всі відомі методи порівняння по характеру самої операції порівняння можна розділити на методи одночасного і різночасового порівняння.

Метод одночасового порівняння. Метод характеризується одночасним участю вимірюваної величини і міри в процесі вимірювання і поєднує наступні відомі методи порівняння:

1) нульвий;

2) диференційний;

3) спів падіння.

На сонові нульового методу працюють прилади порівняння у вигляді мостів і потенціометрів постійного і змінного струму..

диференційний метод може бути застосований з використанням приладів безпосередньої оцінки чи порівняння для вимірювання різниці значень двух величин.

Метод співпадіння може бути застосований для визначення значення вимірюваної величини з використанням спеціальних засобів чи приладів загального призначення, наприклад електронно променевого осцилографа, за допомогою якого можна виміряти частоту сигналу.

Метод різночасового порівняння. Різночасове порівняння означає різночасову участь вимірюваної величини і міри в процесі вимірювання. Вимірювання в цьому випадку поділяється на два етапи і результат визначається по двум вимірам: з участю вимірюваної величини на першому етапі і міри на другому.

Мостові схеми застосовуються для вимірів опору, індуктивності, ємності, добротності котушок, кута втрат конденсаторів, взаємної індуктивності і частоти.

Широке застосування мостових схем пояснюється великою точністю вимірів, високою чутливістю, можливістю вимірювання різноманітних величин тощо.

Для досліджень поведінки сигналів у часі використовуються електронні осцилографи, які дають можливість безпосередньо спостерігати та записувати форму періодичних і неперіодичних сигналів.

Переваги осцилографів:

1. безінерційність за рахунок того, що рухома частина в осцилографах створюється електронним променем;

2. вимірювання електричних величин частотою до сотень мегагерців або неперіодичних процесів тривалістю до часток мікросекунд;

3. великий вхідний опір;

4. висока чутливість (0,1...1 мм/В).

Недоліки:

1. невисока точність вимірювання (основна похибка сягає ± 10%);

2. конструктивна та електрична складність;

3. висока вартість;

складність в експлуатації, яка вимагає певної кваліфікації обслуговуючого персоналу при роботі з ним.

Нових якісних властивостей набувають осцилографи, що містять мікропроцесорну систему, завдяки якій:

a. керування осцилографом стало програмним;

b. спростилися вимірювальні процедури й знизилася трудомісткість вимірювання;

c. підвищилася точність вимірювання і розширився перелік вимірюваних параметрів сигналів;

d. стало можливим виконання діагностики несправностей елементів осцилографа, прискорення калібрування та регулювання його.

Будь-яку фізичну величину, яку можна перетворити у відповідну зміну напруги, можуть бути досліджені за допомогою осцилографа.

Виміри напруги і струму. При використанні О в якості амплітудного вольтметра вимірювану змінну напругу змінного струму подають на вхід зазвичай при вимкненому генераторі розгортки. Електронний промінь при цьому буде прочерчувати на екрані вертикальну лінію, довжина якої при синусоїдному виміру буде пропорційна подвоєній амплітуді. При необхідності оцінити форму досліджуваної напруги вмикається генератор розгортки.

Великий вхідний опір О дозволяє вимірювати напругу джерела, які володіють високим внутрішнім опором.

При посередніх вимірах високочастотних струмів за допомогою О Слід враховувати вплив індуктивності резистора (шунта).

Виміри О є єдиний спосіб виміру миттєвих значень напруги, оцінити максимальну напругу переднього і заднього фронта імпульса.

Виміри частоти і фази. Виміри частоти в загальному випадку виконуються шляхом порівняння досліджуваних коливань з коливаннями відомої частоти. Аналогічні результати можна отримати порівнянням періода напруги з періодом розгортки.

Переваги методу: можливість дослідження коливань довільної форми.

Недолік: невисока точність..

Більш точний результат можна отримати при порівнянні двох коливань синусоїдної форми методом фігур Лісожу.

Визначити кут зсуву фаз між двома напругами можна шляхом одночасного порівняння двох кривих на екрані О. Крім того кут зсуву фаз можна також виміряти за допомогою фігур Лісожу.

Зсув фаз можна визначити також за допомогою колової розгортки. Один з способів виміру полягає в наступному. Одна з напруг використовується для отримання колової розгортки. Далі обидва сигнали за допомогою формуючого пристрою перетворюється в серію короткотермінових імпульсів. Ці імпульси подаються на модулюючий електрод трубки, утворюючи на осцилограмі затемнені мітки, відстань між якими відповідає різниці фаз.

Виміри опору.Електронні О використовується для виміру повних опорів і їх активних і реактивних складових

Запитання для самоперевірки

1 Рівняння рівноваги мостів постійного струму

2 Метод який лежить в основі роботи мостів

3 Приизначення схеми синхронизації осцилографа

4 Призначення лінії затримки в осцилографі

5 Основні характеристики електронно- променевих осцилографів

6 Основні вузли світло-променевих осцилографів

7 Методи реєстрації електричних величин

8 Заспокоювачі гальванометрів світло- променевого осцилографа

9 Рівняння Т-образного одинарного моста змінного струму

10 Параметри вибору галванометрів світлопроменевого осцилографа

11 Рівняння рівноваги мостів змінного струму

12 Метод який лежить в основі роботи мостів

13 Якими бувають мости постійного струму

14 Що таке швидкість розгортки

15 Використання фігур Ліссажу

Тема3. Магнітні величини та характеристики цифрових приладів.

Вимірювання магнітних величин.

Магнітні матеріали та їх характеристики.

Апаратура для випробовування магнітних матеріалів.

Вимірювання цифровими приладами.

Особливості вимірювального процесу.

Системи числення і коди

Методичні вказівки

Сучасні електромеханічні прилади виконано на основі використання електромагнітних явищ і магнітних матеріалів.Вимірювання параметрів магнітних якостей матеріалу займає важливе місце в вимірювальній техніці.

Такі вимірювання називають магнітними.До складу приладів відносять вимірювальний перетворювач магнітної величини та вихідний вимірювальний пристрій.Перетворювачі магнітних величин поділяють на магнітоелектричні , магнітомеханічні та магнітообтічні.В основу принципа дії перетворювача покладено явище електромагнітної індукції,гальваномагнітні явища,квантові явища.В якості вимірювального пристрою використовують прилади загального призначення.

Запитання до самоконтролю

1 Якими бувають магнітні характеристики матеріалів?

2 В яких полях визначають динамічні характеристики?

3 В яких полях визначають статичні характеристики?

4 Основні статичні характеристики матеріалів?

5 Що таке магнітом`які матеріали?

6 Призначення Веберметра?

7 Призначення індукційно –імпульсного метода?

8 Яка залежність лежить в основі веберметра?

9 Як визначається ЕРС кола?

10 Похибка визначення індукції методом ядерно-магнітного резонансу.

11 Які прилади використовуються для визначення статичних характеристик матеріалу?

12 Що ураховують при визначенні основної кривої намагнічування?

13 Розрахункова формула при одержанні петлі гістерезіса?

14 Які прилади входять до складу ферометра?

15 Яка залежність в основі роботи ферометра?

16 Який метод визначення магнітних втрат найбільш поширений?

17 Чому пропорційні втрати х.х. трансформатора?

18 Розрахункова формула втрат на гістерезис та вихрові струми?

19 В якому випадку використовують ваттметровий метод?

20 Які залежності лежать в основі визначення магнітних характеристик за допомогою осцилографа?

Тема4.Цифрові прилади.

Цифрові прилади послідовного рахунку

Цифрові прилади урівноваження

Характеристики сучасних цифрових приладів

Характеристики аналого-цифрових перетворювачів.

Вимірювальні інформаційні системи.

Методичні вказівки

При вивченні теми треба звернути увагу на наступні визначення:

Безперервна величина х(t) – величина, що може мати в заданому інтервалі часу при нескінченно великій кількості моментів часу нескінченно велика кількість значень.

Будь-яка безперервна величина, обмежена деякими граничними значеннями, може бути дискредитована в часі й квантована за рівнем.

Дискретизація – фізична операція перетворення безперервної в часі величини в дискретну, при якій зберігаються її миттєві значення тільки в певні моменти часу (моменти дискретизації).

Крок дискретизації – проміжок часу ∆t між двома найближчими моментами дискретизації.

Квантування — фізична операція перетворення безперервної величини у квантовану, заміною її миттєвих значень найближчими фіксованими значеннями, сукупність яких утворена за певним законом. Квант (щабель квантування) - різниця ?х між двома сусідніми значеннями

Цифрове кодування — операція умовного подання числового значення величини послідовністю цифр (сигналів), що підкоряються певному закону.

Цифрові вимірювальні прилади автоматично перетворять безперервну вимірювану величину або її аналог (фізичну величину, пропорційну вимірюваної) у дискретну форму, піддають цифровому кодуванню й видають результат виміру у вигляді чисел, що з'являються на відліковому пристрої або фиксуючих цифропечатаючим пристроєм.

Цифрові вимірювальні прилади, універсальні, призначені для виміру напруги постійного й змінного струмів, частоти, фази, опору, відносини напруг і інших електричних, а також неелектричних величин.

Цифровий вольтметр на відміну від аналогового містить аналого-цифровий перетворювач (кодуючий пристрій) (АЦП), пристрій цифрового відліку.

Цифрові вольтметри класифікують по способі перетворення безперервної величини в дискретну; структурній схемі АЦП; застосовуваним технічним засобам; способу компенсації.

По способі перетворення розрізняють цифрові вольтметри з порозрядним кодуванням (зважуванням), із час- і частотно-імпульсними перетвореннями.

За структурною схемою АЦП цифрові вольтметри діляться на вольтметри прямого перетворення b перетворення, що врівноважує. У вольтметрах прямого перетворення відсутня зворотний зв'язок з виходу на вхід і безперервну вимірювану величину безпосередньо перетвориться в дискретну. У вольтметрах перетворення, що врівноважує, обов'язково є зворотний зв'язок, тобто вхідна величина в процесі перетворення врівноважується вихідний.

Дешифратори є перетворювачами дискретних сигналів, тобто дозволяють одержувати на виході потрібну комбінацію сигналів при подачі певної комбінації сигналів на вході. У цифрових вольтметрах дешифратори перетворять двоїчно-десятковий код у відповідні напруги, що управляють цифровими індикаторами, що забезпечують візуальну індикацію в десятковому коді (наприклад, код 2—4—2—1, 8—4—2—1 у десятковий код від 0 до 9). Для виконання цього завдання звичайно використають діодні схеми И, як найбільш прості й досить швидкодіючі.

Знакові індикатори використають для подання результатів виміру в цифровій формі.

Точність перетворення визначається погрішністю квантування за рівнем, характеризуючим числом розрядів у вихідному коді.

Час перетворення — час, затрачуваний на виконання одного перетворення аналогової величини в цифровий код.

Межі зміни вхідної величини — діапазони перетворень вхідної величини, які повністю визначаються числом розрядів і «вагою» найменшого розряду.

Чутливість (розв'язна здатність) — найменше помітне перетворювачем зміна значення вхідної величини.

Системи кодування - двійкова, двоїчно-десяткова й ін.

Запитання до самоперевірки

1 Фізичні операції перетворення нерозривної частини величини в дискретну

2 Проміжок часу між двома дискретизації

3 Як ділять цифрові прилади з урахуванням структурної схеми?

4 Як називають перетворювачі дискретних сигналів?

5 Індикатори цифрових приладів

12
Далее ⇒