Общие вопросы

Контрольные вопросы

Рисунок 2.5

Рисунок 2.4

Рисунок 2.3

Рисунок 2.2

Рисунок 2.1

Контрольные вопросы

Рисунок 1.10

Рисунок 1.9

Рисунок 1.8

Рисунок 1.7

Рисунок 1.6

Рисунок 1.5

Рисунок 1.4

Выходным сигналом СУ является величина ∆А = А_Х – А₀. при использовании метода сравнения чаще используется режим, при котором путём изменения образцовой величины А₀ добиваются равенства нулю ∆А = 0. Тогда получаем А_Х = А₀. Процесс уравновешивания А_Х и А₀ может осуществляться вручную или автоматически. Учитывая, что образцовые величины (меры) характеризуются высокой точностью, то и метод сравнения обеспечивает возможность измерения с высокой точностью.

Метод сравнения подразделяется на противопоставления, нулевой, совпадения, замещения и дифференциальный.

1. метод противопоставления – метод, при котором измеряемая А_Х и образцовая А₀ величины одновременно или поочерёдно воздействуют на СУ, с помощью которого устанавливается соотношение между ними. При этом не учитываются точностные характеристики измеряемой и образцовой величин.

Пример: определение коэффициента трансформации трансформатора , через соотношение витков вторичной и первичной обмоток. Для этого необходимо измерить напряжения на первичной U₁ и вторичной U₂ обмотках трансформатора. Тогда .

2. нулевой метод – метод, при котором осуществляется сравнение измеряемой А_Х и образцовой А₀ величин. При этом изменением образцовой величины добиваются нулевого показания нуль–индикатора (НИ). Если схема уравновешена, то ∆А = 0 и А_Х = А₀.

Пример: измерительный мост постоянного тока.

Измерительный мост предназначен для измерения сопротивлений. Схема моста (Рис.1.5), состоящая из четырёх сопротивлений R₁, R₂, R₃ и R₄ включённых по кольцевой схеме, образуют диагональ питания (а – в) и измерительную диагональ (c – d). Если одно из сопротивлений выбрать измеряемым, например R₄ = R_Х, то остальные должны быть образцовыми, точность которых определяется заданной точностью измеряемого сопротивления R_Х. В качестве нуль–индикатора чаще используется гальванометр магнитоэлектрической системы. Для упрощения процесса уравновешивания моста используются две переменные образцовые составляющие:

· соотношение сопротивлений , которое может принимать следующие значения: 0,01; 0,1; 1; 10; 100;

· магазин сопротивлений R₃.

Если мост уравновешен (), то можно написать уравнение равновесия моста и определить сопротивление :

.

3. метод совмещения – метод, при котором одновременно измеряют величины А_Х и А₀, добиваясь при этом совпадения показаний измерительных приборов или периодов сигналов. При этом получим ∆А = 0 и А_Х = А₀.

Пример: измерение частоты сигнала f_X с помощью двухлучевого электронного осциллографа (ЭО) (Рис.1.6).

На вход Y₁ ЭО подаётся исследуемый сигнал U_X, а на вход Y₂ – образцовый сигнал U₀, поступающий с генератора образцовой частоты (ГОЧ) с частотой f₀. Временные диаграммы показаны на Рис.1.7.

Исследуемый сигнал U_X имеет прямоугольную форму с периодом T_X, а образцовый сигнал – синусоидальную форму с периодом T₀. Изменением частоты ГОЧ добиваются равенства периодов сигналов T_X и T₀ по изображению сигналов на экране ЭО. При равенстве T_X = T₀ имеем f_X = f₀. Отсчёт частоты f₀ осуществляется по лимбу ГОЧ.

4. метод замещения – метод, при котором измерение величин А_Х и А₀ производится поочерёдно на одном и том же оборудовании по одной и той же схеме. В процессе измерений добиваются равенства измеряемой А_Х и замещающей её А₀ величин.

Пример: измерение ёмкости С_Х конденсатора резонансным методом. Структурная схема измерения, состоящая из ГОЧ, трансформатора, ёмкости С и электронного вольтметра V показана на Рис.1.8.

Эквивалентная схема, состоящая из последовательно включённых эквивалентного сопротивления r_Э, эквивалентной индуктивности L_Э и ёмкости С, показана на Рис.1.9. Здесь же показаны падения напряжений U_r, U_L и U_С на соответствующих элементах электрической цепи.

При резонансе напряжений в схеме имеет место равенство напряжений U_С = U_L и U_П = U_r. Кроме того равны индуктивное и ёмкостное сопротивление X_L = X_C. Ток I электрической цепи:

.

Следовательно, момент установления резонанса напряжения можно определить по наибольшему показанию вольтметра, измеряющего падение напряжения на ёмкости С.

Измерение производится в два этапа. На первом этапе в схему включается конденсатор ёмкостью С_Х. изменением частоты f₀ ГОЧ схема настраивается в резонанс, который фиксируется по наибольшему показанию напряжения вольтметра. При этом фиксируется резонансная частота f_рез. На втором этапе в схему включается магазин ёмкостей. Изменением ёмкости С₀ добиваются резонанса на частоте f_рез, полученной на первом этапе. Тогда С_Х = С₀.

5. дифференциальный метод – это метод, при котором ∆А является измеряемой величиной, а А₀ – образцовой однозначной мерой. Тогда измеряемая величина А_Х = А₀ + ∆А.

Пример: измерение напряжения U_X путём использования схемы, представленной на Рис.1.10.

В качестве образцового источника напряжения U₀ используется напряжение стабилитрона U_СТ, а ∆U – падение напряжения U на дополнительном сопротивлении R.

Учитывая, что U = IR, где I – показания амперметра, получим:

1. Дайте определение метрологии.

2. Дайте определение измерения.

3. Назовите основные направления метрологии.

4. Какие функции выполняют эталоны и образцовые меры?

5. Назовите виды измерений и их разновидности.

6. Назовите методы измерений и их разновидности.

У приборов с линейным уравнением преобразования чувствительность постоянна S = const. и не зависит от измеряемых величин Х (кривая 1, Рис 2.1), а у приборов с нелинейным уравнением преобразования чувствительность переменная и является функцией измеряемых величин S = F(x) (кривая 2, Рис 2.1).

Приборы с постоянной чувствительностью имеют равномерную шкалу, а приборы с нелинейной чувствительностью – нелинейную шкалу. Чувствительность прибора имеет размерность, определяемую родом измеряемой величины. Поэтому чувствительность относят к измеряемой величине. Например, чувствительность к току, чувствительность к напряжению.

Постоянная прибора С или цена деления шкалы прибора определяется как величина, обратная чувствительности и имеет размерность изм. величина / дел. Например, для амперметра А / дел, для вольтметра В / дел.

Диапазон измерений представляет собой область значений измеряемой величины, в пределах которой нормированы погрешности прибора. Предельное значение измеряемой величины на данном диапазоне принято называть номинальным и обозначать Х_ном, а предельное значение выходной величины для стрелочного прибора принято обозначать a_ном и измерять в делениях. Для многопредельных приборов указывают номинальное значение для всех поддиапазонов: Х_ном1 , Х_{ном 2} , Х_ном3 и т. д.

Входное сопротивление Rвх и входная емкость Свх измерительного прибора определяются входными цепями прибора. Измерительные приборы постоянного тока характеризуются сопротивлением Rвх, а приборы переменного тока – величинами Rвх и Свх. Для электромеханических вольтметров значения Rвх составляют 10² – 10⁴ Ом, а для электронных вольтметров Rвх = 10⁶ – 10⁸ Ом и Свх = 40 – 50 пф.

Входная мощность - мощность, потребляемая измерительным прибором от объекта измерения и определяемая входным сопротивлением прибора. Подключение прибора к объекту измерения означает подключение его к электрической цепи объекта сопротивления Rвх прибора, изменение напряжения на этом участке и возникновение погрешности измерения.

Время измерения и быстродействие – интервал времени, необходимый для единичного измерения. Современные цифровые электронные приборы имеют быстродействие, составляющее несколько сотен тысяч измерений (операций) в секунду. Понятие «время измерения» больше относится к аналоговым (стрелочным) приборам и составляет по ГОСТу время не более 4 с.

Частотный диапазон – диапазон частот гармонического сигнала, в пределах которого погрешность измерения не превышает допустимого значения. Этот параметр относится к измерительным приборам переменного тока и определяется экспериментальным путем по амплитудно-частотной характеристике прибора (АЧХ). На Рис.2.3 приведена блок-схема измерительной установки для снятия АЧХ вольтметра, состоящая из генератора синусоидального напряжения (ГН), поверяемого U_пов и образцового U_обр вольтметров.

В процессе измерений напряжение питания схемы Uп поддерживается постоянным и для различных частот напряжения снимаются показания поверяемого вольтметра.

Данные измерений сводятся в таблицу, и по ней строится график Uпов = F(f) (Рис.2.4) и выделяется область частотной погрешности прибора ΔU_f (заштрихованная область).

На АЧХ находят точки a и b, для которых частотная погрешность ΔU_f равна допустимой погрешности ΔU_доп. прибора, определяемая по формуле,

где Kv – класс точности вольтметра,

Uном – номинальное напряжение вольтметра.

Частоты, соответствующие точкам а и b АЧХ, определяют нижнюю f_н и верхнюю f_в частоты прибора, а их разность Df=f_в-f_н – рабочий частотный диапазон.

Для аналоговых (стрелочных) приборов нижнее значение частотного диапазона f_н определяется инерционностью подвижной части измерительного механизма и составляет примерно 40 Гц. Для АЧХ, имеющей вид, представленный на Рис. 2.5, верхний частотный диапазон определяется точкой b.

1. Назовите средства измерений и какие функции они выполняют.

2. Назовите основные технические характеристики измерительных приборов.

3. Что такое чувствительность и постоянная прибора?

4. Как определяется диапазон измерений прибора?

5. Как влияет входное сопротивление и входная мощность прибора на результат измерения?

6. Как определяется частотный диапазон прибора?

Основным понятием измерений является точность измерений, определяющим метрологические возможности средств измерений.

Под точностью измерений понимают степень близости результатов измерений к истинному значению измеряемой величины. На практике для характеристики точности измерений пользуются термином «погрешность измерений» (погрешность средств измерений), отражающим отклонение результата измерений от истинного значения измеряемой величины.

Погрешности в зависимости от характера вызывающих их причин делятся на систематические, случайные и промахи.

1. Систематические погрешности – это составляющая погрешности измерения, которая остаётся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины, одним и тем же измерительным прибором, при одних и тех же условиях.

В зависимости от причин возникновения они подразделяются на:

• Инструментальные, определяемые состоянием средства измерения или неточностью градуировки его шкалы.
• Методические, определяемые неправильным использованием метода измерений или неточностью применяемых формул.
• Погрешность установки, определяется неправильным применением средств измерения или отклонением внешних условий от нормальных, оговоренных в ТУ (технических условиях).
• Субъективные, определяемые состоянием оператора, связанным с несовершенством органов чувств.

В зависимости от времени проявления они подразделяются:

· Постоянные во времени.

· Прогрессирующие, возрастающие или убывающие во времени.

· Периодические, подчиняющиеся определенному закону.

Систематические погрешности могут быть обнаружены и устранены. Простейшие методы устранения систематических погрешностей: введение поправки в результат измерения, установка нуля и калибровка измерительного прибора.

Измерения называются исправленными, если в них обнаружены и устранены систематические погрешности.

2. Случайные погрешности – погрешности, возникающие случайным образом, их невозможно устранить, но можно оценить. Для их оценки используется теория вероятности.

3. Промахи – измерения, вызывающие недоверие и их необходимо устранить. Для определения промахов используются методы Райта и Шовене.