Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Інші
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2001
Тип роботи:
Конспект лекцій
Предмет:
Метрологія
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ ”КПІ”
КАФЕДРА ТК
КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ
з дисципліни “МЕТРОЛОГІЯ І ВИМІРЮВАННЯ”
Виконал: Кацура С.В.
група ІК-93
Перевірив: НЕДАВНІЙ В.С.
КИЇВ 2001
Вступ.
Дисципліна ”метрологія і вимірювання” - один із основних курсів загальної інженерної підготовки за спеціальністю ”Гнучкі комп’ютеризовані системи та роботехніка”.
Мета курсу: набуття знань в царині понять метрології і вимірювань, пов’язаних з автоматизацією виробничих процесів і експерементальними дослідженнями.
Метрологія – це наука про вимірювання і її значущість визначається перед усім тим, що вимірювання є важливим універсальним методом пізнання фізичних явищ і процесів.
За допомогою вимірювань в науці здійснюється зв’язок функціонування теорії і експериментів. В технічному аспекті значущість вимірювання визначається тим, що вимірювання кількiсної та якісної інформації про об’єкт управління та контролю, без якого неможливе точне відтворення всіх заданих умов технологічного процесу, забезпечення високої якості виробів і високоефективного управління об’єктами. Метрологія і вимірювання дійсно поєднані з стандартизацією, яка визначає принципи й методи встановлення норм і правил взаємодії елементарного суспільного виробництва з точки зору їх суміщення, уніфікації, раціонального упорядкування. Засобами реалізації стандартизації є стандарти.
Стандарти – це технічні закони, що встановлюють певні вимоги до матеріалів, напівфабрикатів, виробам, технологічним процесам, станам, технологічної і програмної документації, методам виробництва і т.п.
За допомогою стандартизації забезпечується узгодження норм на всі елементи сучасного виробництва і вимоги до них, а метрологія і вимірювання забезпечують методи і засоби контролю виконання стандартів.
Лекційний курс метрології та вимірювання має три розділи:
I розділ – основні поняття метрології,
II розділ – вимірювання електричних величин,
III розділ – вимірювання неелектричних величин.
Рекомендована література:
1.Орнадський В.П. Вступ до метрології, науки про вимірювання, навчальний посібник, К.: ІДСО, 1994.
2.Дубровний В.А., Забокрицкий Є.Н., Тригуб В.Г. Справочник по наладке и регуллированию, ч.1, К.:Наукова думка, 1981.
3.Орнадский П.П. Теоретические основы информационных измерений техники, навч.посібник, К.: Вища школа, 1976.
4. Электрические измерения электрических и неэлектрических величин, под ред. Полищук Е.С., К.: Вища школа, 1984.
5. Держстандарт України, Державна система забезпечення єдності вимірювання. Метрологічні терміни та визначення , ДТСУ 2681–94.
РОЗДІЛ 1. Основні поняття метрології.
Тема 1. Фізична величина.
Теорія і практика метрології базується на 2 поняттях: величина і вимірювання. Всі інші поняття метрології пояснюють чи деталізують ці два поняття. Між поняттями величина і вимірювання існує тісний взаємозвязок :величина є предметом вимірювання.
1.1. Поняття про величину.
1.1.1. Фізична величина .
Фізична величина – це властивість загальна у якісному відношенні множини обєктів і індивідуальна у кількісному відношенні кожного з них.
Напр.: маса атома й маса планети.
Розрізнюють основні і похідні фізичні величини.
Основна фізична величина – це фізична величина, умовно прийнята як незалежна від інших величин даного розділу знань.
Практично як основні фізичні величини вибирають величини, які можна відтворити і виміряти з найбільш високою точністю. Напр.: для системи механічних величин як незалежні в різний час були прийняті маса, довжина, час, а для системи електричних величин – ампера. На прикладі ампера як основної одиниці добре видно умовність вибору цієї величин як основної, бо із визначення ампера видно, що хоч ампер і віднесений до рангу основних одиниць він, по суті, визначається як похідна одиниця, що виражається через основні одиниці маси, довжини, часу.
Похідна фізична величина – це фізична величина, що визначається через основні величини даної системи фізичних величин.
Напр.: швидкість в системі механічних величин.
Розмір і розмірність фізичних величин.
Розмір фізичної величини – це кількісний вміст у даному обєкті властивості, що відповідає поняттю данної фізичної величини.
Розмірність фізичної величини є її якісною характеристикою. Розмірності основних фізичних величин відповідають їх назві: довжині – метр(м), часу – секунда(с), масі – кілограм(кг), струму – ампер(А).
Напр.: маса(розмір) – 2кг(розмірність),
струм – 5А.
Розмірності похідних величин визначаються на основі відповідних рівнянь, що зв’язують їх з основними величинами. Наприклад, розмірність швидкості v =l/t[м/c]
Більшість величин, що вимірюються, є розмірними. Однак в метрології використовуються і безрозмірні (відносні) величини, які є відношенням даної фізичної величини до однойменної величини, що використовується як похідна або опорна.
Напр.: коефіцієнт підсилення за напругою, коефіцієнт трансформації.
Одиниці фізичних величин. Системи одиниць.
Виміряти будь-яку величину означає знайти дослідним шляхом відношення даної величини до відповідної одиниці вимірювання. Звідси витікає необхідність використовувати в метрології поняття одиниці фізичної величини, під якою розуміється фізична величина, розміру якої за визначенням надано числове значення. Відповідно до поділу фізичних величин на основні і похідні одиниці фізичних величин також поділяється на основні і похідні. Ця сукупність основних і похідних одиниць побудована у відповідності з прийнятим принципом складає систему одиниць. Очевидно, що для забезпечення єдності вимірювання, що виконується в різних місцях, в різний час і різними засобами вимірювання необхідно використання єдиної системи одиниць з визначеним набором основних одиниць фізичних величин.
В результаті тривалої роботи спеціалістів різних країн вдалося скласти міжнародну систему одиниць СІ (система інтернаціональна). При цьому дуже важливо, що більшість величин вимірювальних одиниць, що давно увійшли в інженерну графіку, стоять на шкалах вимірювальних приладів і не потребують ніяких попередніх перетворень. Система СІ, як базова, у 1961 році були прийнята в СРСР, також тепер є і в Україні. Система СІ має сім основних одиниць фізичних величин і 111 похідних одиниць.
1.1.4. Еталони фізичних величин.
Значну роль в забезпечені єдності вимірів поряд із застосуванням єдиної системи одиниць має сталість величин цих одиниць. Ця вимога в метрології забезпечується двома способами:
а) за прототипами, матеріаліалізованими у вигляді узаконених зразків;
б) через вимірювання природних величин.
У першому випадку еталонь - це деяке тіло (гиря, лінійка), в другому випадку еталонна одиниця визначається певною процедурою вимірювання. Через складність технічної реалізації другого способу в практиці як правило використовують матеріалізовані еталони. При цьому еталони не обов’язково повинні бути мірою самої основної величини, вони можуть визначати значення інших величин, за якими можливо обчислення основної одиниці. Так, для визначення одиниці сили струму, як еталони застосовуються стандартні гальванічні елементи із стандартними коліброваними резисторами, а вже сила струму визначається за законом Ома.
ТЕМА 2. Вимірювання.
1.2. Поняття про вимірювання.
В метрології вимірювання визначається як знаходження значення фізичної величин дослідним шляхом за допомогою засобів вимірювання.
1.2.1. Засоби вимірювань.
До засобів вимірювань відносяться міри, вимірювальні прилади, масштабні та вимірювальні перетворювачі.
Міра – це засіб вимірювань у вигляді тіла, або пристрою, призначеного для зберігання і відтворення фізичної величини заданого розміру.
Вимірювальний прилад являє собою засіб вимірювань, призначений для вироблення під дією вимірюваної величини сигналу вимірювальної інформацій, функціонально зв’язаного з числовим значеням вимірювальної величини та відображення цього сигналу на відлікованому пристрою, або його реєстрації. Розрізняють вимірювальні прилади прямого та зрівноважуючого перетворення.
У перших - перетворення (передача вимірювальної інформації) здійснюється тільки в одному напрямку – від входу до виходу без зворотного зв’язку між ними.
Зрівноважуюче перетворення міститься у тому, що вхідна величина зрівноважується іншою однойменною величиною. Відповідно до форми вимірювальної інформації, що міститься у вихідних сигналах вимірювальних приладів, їх поділяють на аналогові і цифрові.
Аналоговим вимірювальним приладом називають прилад, у якого інформативний параметр вихідниго сигналу є неперервною функцією зміни вимірюваної величини (наприклад, неперервним переміщення стрілки вольтметра або барометра).
Цифровим називають прилад, у якого вихідний сигнал є цифровим, тобто містить інформацію, закодовану у цифровому коді.
Вимірювальний прилад, що допускає тільки зчитування називається показуючим, а прилад, у якому передбачена автоматична фіксація вимірювальної інформації називається реєструючим.
Масштабним перетворювачем називають пристій, що забезпечує розширення діапазону виміряння вимірювального приладу через масштабування вимірюваного сигналу. Розмір вихідного сигналу інформативного параметра у К разів пропорційний розміру інформативного параметра вхідного сигналу.
Пристрій, що реалізує це вимірювальне перетворення сигналу одного виду енергії в сигнал іншого виду енергії називається вимірювальним перетворювачем.
Види вимірювань.
Всі вимірювання розділяються на прямі та посередні (непрямі).
При прямих вимірюваннях шукане значення вимірюваних величин одержують безпосередньо в результаті експерименту прямим порівнянням вимірюваних величин з мірою або за допомогою засобів вимірювань, проградуйованих в одиницях вимірювання.
Наприклад, вимірювання маси на рівноплечих терезах, вимірювання струму амперметром. Рівняння вимірювання при прямих вимірюваннях має вид :
xN=Nxx к ,
де хN - кількісна оцінка вимірюваної величини, N x - числове значення вимірюваної величини, xк - ціна поділу шкали чи одиниці молодшого розряду цифрового індикатора або значення міри.
При непрямих вимірюваннях шукане значення вимірюваної величини визначають як результат обчислення за формулою ( рівнянням зв’язку), яке визначає залежність між цією величиною й величинами, які одержуються прямими вимірюваннями - аргументами.Наприклад, вимірювання електричного опору методом амперметра і вольтметра на постійному струму, де формула зв’язку - закон Ома:
R=U/I .
1.2.3. Методи вимірювань.
Сукупність прийомів використання засобів вимірювань при виконанні операції вимірювання складає метод вимірювання. Розрізняють метод безпосередньої оцінки, при якому значення вимірюваної величини визначають за відліковим пристроєм вимірювального прилада, і метод зіставлення з мірою, в якому вимірювальну величину порівнюють з величиною заданного розміру, що відтворюється мірою.
ТЕМА 3: ПОХИБКИ.
1.3. Поняття про похибку вимірювання.
Точність-це основна якість вимірювання. Вона відображає близькість результата вимірювання до істинного значення вимірюванної величини. Кількістно точність вимірювання характеризується похибкою вимірювання. Похибка вимірювання - це відхилення результату вимірювання від істинного значення вимірюванної величини. Однак таке визначення похибки є чисто теоретичним, бо експерементально істине значення фізичної величини визначити неможливо через неминучість використання для цього реальних, маючих обмежену точність засобів вимірювання. Тому на практиці під похибкою вимірюваннь розуміють відхилення результата вимірювання від дійсного значення вимірюванної величини. Дійсне значення фізичної величини - це значення фізичної величини, знайдене експерементальним шляхом і настільки наближене до істиного, що для данної мети може бути використане замість нього. Визначення його за зразковими мірами і приладами, похибками яких, у порівнянні до похибок мір і приладів, які застосовуються для даного вимірювання, можно знехтувати.
1.3.1. Абсолютні і відносні похибки .
За способом чисельного вираження похибки підрозділяються на абсолютні і відносні.
Абсолютна похибка ∆х визначається як різниця між вимірюванним значенням величини х та її дійсним значенням хд і має розмірність вимірюванної величини:
∆х=х-хд
Відносна похибка δ визначається як відношення абсолютної похибки до дійсного значення вимірюванної величини
δ =∆х∕хд
і виражається у відносних одиницях і через те, що звичайно значення х близько до значення хд і останнє при проведенніі вимірювання невідоме, в практиці вимірювань відносну похибку приймають як δ=∆х∕х або у відсотках
δ%=(∆х∕х)100%
Частковим випадком відносної похибки є зведена похибка δзв, яка визначається як відношення абсолютної похибки до нормального значення вимірюванної величини хн, виражається у %
δзв=(∆х/хн)100%
Нормальним значенням називається умовноприйняте значення вимірюванної величини:
а) в засобах вимірювання з односторонньою шкалою вона дорівнює верхній границі вимірювання;
б) в засобах вимірювання з двосторонньою шкалою – повному діапозону вимірювань;
в) в засобах вимірювання з номінальним значенням вимірюванної величини (наприклад, частотомір (нам=50Гц і діапозону вимірювання 45..55Гц) дорівнює номінальному значенню вимірюванної величини.
1.3.2. Інструментальні і методичні похибки.
Залежано від природи виникнення похибки вимірювань поділяються на інструментальні та методичні .
Інструментальні похибки - це похибки застосованих засобів вимірювань. Вони є наслідком недосконалості принципу дії і конструктивно-технологічного виконання засобів вимірювання.
Методичні похибки - це похибки, що виникають через недосконалість методів вимірювання. Наприклад, застосування наближенних формул при непрямих вимірюваннях.
1.3.3. Класи точності засобів вимірювань .
Точність - основна якість будь-якого засобу вимірювання. Тому усі засоби вимірювання відповідно до держстандарту характеризуються класом точності, під яким розуміють узагальнену характеристику точності засоба вимірювання, що визначається для данного засоба вимірювання границями допустимих інструментальних похибок. Клас точності позначається на засобі вимірювання.
Розділ 2: Вимірювання електричних величин.
Тема 4. Міри і перетворювачі електричних величин.
2.4.1 Міри електичних величин.
2.4.1.1. Міри напруги.
Найбільш точною мірою напруги є міра ЕРС постійного струму у вигляді нормального елемента (так званого НЕ) – гальванічного елемента з точно визначеною ЕРС. Значення ЕРС кожного нормального елемента (1,01854-1,01960) вказується у свідоцтві на кожний конкретний нормальний елемент. Значення цієї ЕРС залежить від температури, струму навантаження та механічних впливів. Тому для стабілізації ЕРС НЕ застосовують термостатування, обмеження струму навантаження (1-5 мкА впродовж 1хв) та недопущення різних механічних впливів. Крім нормальних елементів як міри напруги постійного струму, використовують міри напруги, створені на основі кремнієвих стабілітронів або на перемінному струмі на основі стабілізованих схем RC-генераторів.
Такі міри дають можливість з достатньою для технічних і лабораторних вимірювань точністю знімати з них досить великі (до 10-ків вольт) напруги при струмах до кількох ампер.А нормальні елементи використовуються тільки в метрологічних вимірюваннях при перевірці зразкових приладів.
2.4.1.2. Міри електричного опору.
Існують однозначні міри опору з нормованим резестивним елементом начення опору, та багатозначні міри опору - магазини опору, виконані у вигляді набору резисторів з можливістю їх вмикання у різних комбінаціях.
2.4.1.3. Міри індуктивності і взаємоіндуктивності.
Такими мірами є вимірювальні катушки, варіометри та магазини індуктивностей та взаємоіндуктивностей. Катушки індуктивності мають одну обмотку, катушки взаємоіндуктивності – дві – первинну і вторинну обмотку. Варіометри мають 2 катушки: рухому (ротор) й нерухому (статор). Зміною їх взаємного положення забеспечується плавна зміна L або М..
Міри ємкості.
Мірами ємкості служать вимірювальні конденсатори і магазини ємкості.
2.4.2. Перетворювачі електричних величин.
2.4.2.1.Шунти і додаткові резистори.
Шунти служать для розширення діапазона вимірювального струму і являють собою резистор з двома струмовими затискачами, призначеними для вмикання у коло вимірюванного струму і 2-ома потенційними затискачами меньших розмірів для підмикання до мілівольтметра.
Із схеми видно, що шунти є претворювачами струму в напругу, яка однозначно зв’язана зі струмом у колі вимірювань.
Додаткові резистори застосовуються для розширення границь вимірювання напруги вольтметрами, або кіл напруги електродинамічних ватметрів. Додатковий резистор підмикається послідовно з вольтметром або в коло напруги ватметром. Додаткові резистори і шунти бувають внутрішніми і зовнішніми, індивідуальними і взаємозамінними.
2.4.2.2. Вимірювальні трансформатори.
Призначені для перетворення (трансформации) вимірюванних перемінного струму або напруги, а також для підвищення безпеки роботи персоналу при вимірюваннях у колах високої напруги, коли первинне коло трансформатора знаходиться під високою напругою. Конструктивно вимірювальні трансформатори складаються з феромагнітного осердя тороідального виду, на який, ізольовано один від одного, намотані первинна і вторинна обмотки.
2.4.2.3. Подільники напруги .
Існують три різновиди подільників напруги:
резистивні;
індуктивні;
ємкісні.
Резистивні подільники використовуються як на постійному так і на перемінному струмі, для розширення границь вимірювання за напругою приладів з високим вхідним опором.Схема простішого одногранічного резистивного ПН має вигляд:
Номінальний коєфіцієнт поділу при
R1
U1
R2 U2 Rн
Але коли навантаження призводить до того, що дійсний коефіцієнт поділу буде дорівнювати
Звідки видно, що дійсний коефіцієнт поділу наближається до номінального при дуже високому опорі навантаження, яким є вимірювальний прилад.
Індуктивний подільник напруги – це масштабний електромагнітний подільник, що поділяє із визначеною точністю вхідні напруги перемінного струму. За принципом дії він подібний вимірювальним трансформаторам.
Ємкісні подільники застосовуються на перемінному струмі для розширення границь вимірювання електростатичних вольтметрів. Схема простішого ємнісного подільника має вигляд:
C1
U1
C2 U2
Номінальний коефіцієнт поділу
Метрологічні характеристики всіх мір і перетворювачів нормовані відповідними держстандартами.
ТЕМА 5: Електровимірювальні прилади прямого
перетворення.
2.5.1 Аналогові вимірювальні прилади.
Основну групу аналогових вимірювальних приладів прямого перетворення складають електромеханічні прилади принцип дії яких полягає у перетворенні електромагнітної або електричної енергії у механічну енергію переміщення рухомої частини приладу. Узагальнена структурна схема таких приладів складається з послідовно з’єднанних вимірювального кола, вимірювального механізму та відлікового пристрою. Призначення вимірювального кола – перетворення вимірювальної величини (напруги,струму) у де-яку проміжну електричну величину (напруга, сила струму), функціонально зв’язану з вимірювальною величиною і беспосередньо діючу на вимірювальний механизм.
Вимірювальній механізм , що складається з рухомої і нерухомої частин призначено для перетворення електромагнітної або електричної енергії вихідної величини вимірювального кола у механічну енергію, необхідну для переміщення рухомої частини вимірювального механізму. Під дією вимірювальної величини у вимірювальному механізмі виникає обертаючий момент, що є функцією вимірювальної величини Х
і який намагається повернути рухому частину вимірювального механізму. Для того, щоб кут повороту рухомої частини вимірювального механізму був однозначно зв’язаний із значенням ВВ X у вимірювальному приладі при повороті рухомої частини створюється протидіючий момент, направлений на зустріч обертаючому момнту і залежіть від кута повороту вимірювального механізму :
Усталене відхилення рухомої частини вимірювального механізму визначається рівністю . Очевидно, що при цьому . В більшості електровимірювальних приладів протидіючий момент створюється механічним способом за допомогою пружинних елементів (спіральних пружин у вимірювальних механізмах з рухомою частиною на кернових опорах або пружних розтяжок, на яких кріпиться рухома частина вимірювального механізму).
Однак в так званих логометричних приладах протидіючий момент створюється електричним способом: тут у вимірювальному механізмі є дві рамки, при протіканні через них елементарного струму виникають два зустрічних обертаючих момента : обертаючий та протидіючий. Відхилення рухомої частини логометра пропорційне відношенню електричних струмів, що протікають через відповідні рамки, а кут відхилення вимірювального механізму буде ;
Відчитовий пристрій служить для одержання відчиту значень вимірювальної величини і складається із шкали і показника (стрілочного або світлового променя відбитого рухомим дзеркальцем відчитовоно пристроя). Школа відчитового пристрою являється собою сукупність відміток , що відповідають ряду послідовніх значень вимірювальних величин.
Залежно від особливостей перетворення вимірювального параметра у переміщення рухомої частини вимірювального механізму аналогові вимірювальні прилади поділяються на магнітоелектричні, електромагнітні, електродинамічні, феродинамічні, індукційні, електростатичні, випрямні та електроні прилади.
Магнітоелектричні прилади.
Робота цих приладів грунтується на взаємодії у вимірювальному механізмі поля сталого магніту із струму, що протікає по рамці вимірювального механізму.
На базі магнітоелектричних вимірювальних механізмів випускаються вимірювальні прилади постійного струму.
Електромагнітні прилади.
Принцип дії грунтується на взаємодії магнітного поля нерухомої котушки із струмом і рухомого феромагнітного осердя, закріпленого на вісі вимірювального механізму. Усталене відхилення покажчика прилада залежить від квадрата вимірювального струму і таким чином не залежить від полярності вимірювального струму, тобто такі прилади можна використовувати у колах як постійного так і перемінного струмів.
Електромагнітні і феродинамічні прилади.
Робота грунтується на взаємодії магнітних потоків двох котушок: рухомої і нерухомої. У феродинамічних приладах нерухома котушка для збільшення обертаючого моменту вимірювального механізму і зменшення впливу зовнішніх магнітних полів розташована на магнітопроводі з листового магнітом’якого матеріалу. Ці прилади придатні для вимірювання як постійного так і перемінного струму.
Електростатичні прилади.
Вимірювальний механізм цих приладів працює на принципі взаємодії електрично заряджених тіл, конструктивно він являє собою розділені діелектриком рухомий і нерухомий електроди, які утворюють конденсатор. Якщо до електродів прикласти вимірювач напруги, то різниця пртенціалів між ними викличе обертаючий момент, відхиляючий рухомий електрод і зв’язаний з ним покажчик приладу на кут ,усталене значення якого є функція , де U – значення напруги постійного струму або діюче значення напруги перемінного струму. На базі таких вимірювальних механізмів створюються високовольтні вольтметри, верхня границя в яких 300 кіловольт.
Випрямні прилади.
Будуються шляхом поєднання перетворювачів (одно- чи двополуперіодних схем випрямлячів перетворювачів) вимірювального параметра у постійний струм або напругу і магнітоелектричного вимірювального механізму.
Індукційні прилади.
Дія цих приладів грунтується на взаємодії перемінних магнітних потоків з вихровими струмами, наведеними у рухомому елементі вимірювального механізму, здебільшого феромагнітного диску. В результаті кількість обертів диска пропорційна вимірювальній енергії і розглянутий прилад є лічильником енергії. Відчит показвнь лічильника робиться лічильним механізмом, який приводить ся у рух за допомогою черв’ячної передачі, зв’язаної з віссю диска.
Електронні прилади.
Аналогові електронні прилади прямого перетворення поєднують в собі електронні перетворювачі вимірювальної величини у постійну напругу або струм і магнітоелектричний прилад. При цьому електронна схема не тільки перетворює але і підсилює вимірювальний сигнал. Найбільше поширення мають електронні вольтметри.
Електронно-променеві осцилографи.
Електронно-променеві осцилографи – це електронні прилади для аналізу характеристик електричних сигналів, що змінюються у часі. Основною складовою частиною осцилографа є електронно-променева трубка з одним чикількома керованими променями, кожний з яких являє собою сфокусований пучок швидкорухомих електронів. На шляху до покритого люмінофором екрану трубки пучок проходить між двома парами відхиляючих пластин вертикаьного та горизонтального відхилення. Під дією напруги, прикладеної до відповідної пари пластин, промінь і засвічувана ним світлова точка на люмінофорі екрана переміщується у вертикальному і горизонтальному напрямках.
Досліджуваний сигнал подається на пластини вертикального відхилення (вісь У). Розгорнуте у часі зображення досліджуваного сигналу буде одержано, якщо до горизонтальної пари пластин прикласти лінійно-змінювану у часі напругу. Для цього в схемі осцилографа є генератор розгортки, що виробляє пілкоподібну напругу. Частота генератора напруги розгортки може регулюватися, бо тільки при рівності або кратності частоти напруги розгортки частоті досліджуваного процесу зображення періодичного процесу на екрані осцилографа буде нерухоме.
Для дослідження однократних неперіодичних та імпульсних процесів в схемі осцилографа є так звана “чекаюча розгортка”, при якій на відхиляючі пластини електронно-променевої трубки напруга подається тільки при надходженні досліджуваного сигналу.
В момент закінчення розгортки промінь запирається і світлова точка зникає з екрана до надходження нового пускового імпульсу “чекаючої розгортки”
Багатопроменеві осцилографи (частіше двопроменеві) мають можливість спостеругати одноразово одночасно кілька процесів, при цього один з каналів – променів можна використовувати для побудови масщтабу часу, подавши на нього напругу еталонної частоти.
Регіструючі прилади прямого
перетворення.
До регіструючих приладів прямого перетворення відносяться:
самопишучі прилади (самописці));
світлопроменневі шлейфові осцилографи.
Самописці.
Створюються на базі електромеханічних показуючих приладів шляхом додаткового оснащення їх реєструючим пристроєм. Реєструючий пристрій складається з реєструючого елемента (частіше за все – це перо спеціальної конструкції з чорнилом чи пастою) та носія зображень (паперових стрічки або круга). Реєструючий елемент переміщується за рахунок енергії вимірювального сигналу, а переміщення носія зображень здійснюється пружинним або електричним двигуном.
Світлопроменневі шлейфові осцилографи.
Призначені для візуального спостереження електричних сигналівта їх реєстрації на фоточутливому матеріалі (фотоплівці чи фотопапері). Працюють шлейфові осцилографи таким чином:
контрольований сигнал у вигляді електричного струму проходить по обмотці гальванометра (шлейфа або вібратора), на рухомій частині якого закріплено дзеркальце, що відбиває падаючи на нього світловий промінь. Кут відхилення променя пропорційний струму шлейфа. Оптична система осцилографа розділяє відбитий промінь на два променя, один промінь проецірується на рухому фотоплівку або фотопапір (реєстрація у вигляді осцилограми), другий спрямовується на обертовий багатогранний дзеркальний барабан, здійснюючий на матовому склі розгортку досліджуваного процесу в часі (візуальне спостереження).
Змінюючи швидкіть обертання барабану можна “зупинити” на екрані досліджуваний періодичний процес.
2.5.2 Цифровi елекронно-вимiрювальнi прилади.
Узагальнена структурна схема цифрового електровимiрювального приладу має такий вигляд:
Тут АП - аналоговий перетворювач для масштабування та перетворення одних електричних величин в iншi з визначеною iнтенсивностю, розподiленням у часi і тому подібне (наприклад, перетворення напруги або сили перемінного струму у напругу постійного струму); перетворення різних електричних величин у часовий інтервал і т.д.
АЦП - аналогово-цифровий перетворювач, що перетворює неперервний вихідний сигнал АП у вiдповiдну цифрову кодовану форму.
ОП – обчислювальний пристрій, обробляючий інформацію, що міститься у віхідних сигналах АЦП.
ПI - пристрiй iндикацiї, який мiстить у собi дешифратор для перетворення кодів вихідний кодів сигналів обчислювального пристроя у десятичий цифровий код, схема керування iндикатором та власне iндикатор.
ПК - пристрiй керування, що задає алгоритм вимiрювання та керує роботою АП, АЦП, ОП, ПI. Номенклатура цифрових елекронно-вимiрювальних приладiв практично не вiдрiзняється вiд номенклатури аналогових приладiв.Основнi переваги цифрових вимірювальних приладів такі:
а) об`єктивнiсть i зручнiсть відліку i реєстрацiї результатiв вимiрювань;
б) можливiсть прямого застосування в системах автоматичного конторлю та технічної диагностики;
в) можливість використання більш високих, ніж у аналогових приладів точності і швидкодії. Так цифрові вимірювально прилади мають принципово більші можливості підвищення точності ніж аналогові, бо точність відліку в аналогових приладах обмежена позмірами їх шкал. Для досягнення похибки відліку 0,001% в показуючому приладі необхідна шкала довжиною 10 метрів, а для цифрового прилада ширина його табло буде обмежена шириною індикатора на 5 двійковиї розрядів, для чого достатньо 100-120мм.
До недоліків цифрових вимірювальних приладів можна віднестм недостатню наочність інформації в де-яких застосуваннях (критичні режими).
Тема 6. Елекровимiрювальнi прилади зрiвноважуючого
перетворення.
До елекровимiрювальних приладів вiдносяться мости постійного та перемінного струмів та компенсатори (потенцiометри) напруги постійного і перемінного струмів.
2.6.1. Вимiрювальнi мости.
Вимiрювальнi мости служать для точного вимiрювання електичного опору. Проiлюстуємо принцип дiї на прикладi аналiзу роботи схеми одинарного моста постiйного струму. Електрична схема якого має таких вигляд:
Тут R1, R2, R3, R4 – плечі моста, НІ – нуль-індикатор, ДЖ – джерело живлення.
Рiзниця напруг мiж вершинами А та В дорiвнює нулю при виконаннi умови рiвноваги моста
R1R3=R2R4
Якщо опір одного з плеч моста невідомий, його значення можна визначити через опір решти трьох плеч, наприклад:
RX=R1=R4(R2/R3)
З цієї рівності видно, що значення опору RX тут порівнюється зі значенням опорц R4 (плечо порівняння) в масштабі відношення R2/R3. В широкодіапазонних мостах постійного струму зручним зрівноважуванням моста є плече порівняння, виготовляється у вигляді баготодекадного магазина опору. Необхідне відношення R2/R3 - шляхом незалежного зміннювання кожного з них, які виготовляються у вигляді штепсельних магазинів опору. Граничне допустиме значення похибки у відсотках значення вимірюваної величини у найбільш точних мостах не перевищує 0,01 – 0,002%.
Компенсатори напруги (потенцiометри).
Компенсатори напруги служать для точних вимiрювань напруги, постійного або перемінного струмів. Принцип дiї компенсаторiв напруги мiститься у тому, що вимірювана напруга відомою напругою. Так, наприклад, в компенсаторi напруги постiйного струму, схема якого наведена на наступному рисунку, вимiрювана напруга Ux зрiвноважується вiдповiдним падiнням напруги Uk=IpRkx, яке виникає на компенсацiйному опорi Rk при проходженнi по ньому струму Ip вiд зовнiшнього джерела напруги ДЖ (джерела живлення). В момент рiвноваги, що досягається регулюванням компенсацiйної напруги Uk, показ гальванометра (нуль-iндикатора НI), пiдiмкненого у досліджуване коло (перемикач ПМ в положенні «Х») показ гальванометра буде дорівнювати нулю.
Тоді EX=UK=IрRKX, де RKX- частина компенсаційного опору Rk, з якого знiмається компенсуюча напруга Uk. Значення компенсацiйної напруги можна знайти за положенням декадного перемикача компенсацiйного опору, тобто по значенню Rkx тiльки при умовi, що через Rk протiкає точно вiдоме значення робочого стуму Ip.
Для встановлення Ip перемикач ПМ встановлюють у положення "НЕ" (ліве положення) і за допомогою регулювального резистора R добиваються такого значення робочого струму, при якому падiння напруги на установлювальному опорi Ry дорiвнює ЕРС нормального елемента НЕ, про що свiдчить нульовий показ гальванометра. Тоді IP=EHE/Rу, UX=UK=IPRKX=(EHE/Rу) RKX=(RKX/Rу) EHE.
Таким чином в кінцевому результаті вимірювання UX зводиться до порівняння його значення зі значення ЕРС нормального елемента в масштабі відношення RKX/Rу, а похибка визначення UX дуже мала, бо визначається похибкою ЕРС НЕ і похибкою відношення (RKX/RU). Так існують компенсатори постійного, похибка яких не перевищує 0,0005%. Слід ідмітити дуже вадливу властивість компенсаторів, яка міститься в тому, що в момент компенсацiї струм у вимiрювальному колi практично вiдсутнiй і методична похибка, яка викликається споживанням потужностi вiд об`єкту дослiджуваного об`єкту. Особливість дії компенсаторів напруги перемінного струму міститься у тому, що рівновага двох напруг перемінного струму може бути досягнута тільки тоді, коли іх частоти і амплітудні однакові, а фази іх протилежні. Процес зрівноваження вимірювальних мостів і компенсаторів може бути автоматизований. Для цього замість нуль-індикатора в схему моста або компенсатора необхідно підімкнути слідкуючий прилад, автоматично встановлюючий повзуни плеча порівнення моста або компенсаційного опору компенсатора у рівноважне положення, коли сигнал на входi слідкуючого приладу дорiвнює нулю.
Тема 7. Вимірювання електричної напруги, струму і потужності
2.7.1. Вимірювання електричної напруги, струму і потужності.
(а) (б)
Для технічних вимірювань напруги, струму частіше за все використовують амперметри і вольтметри, що вмикаються за схемами (а) і (б).
При цьому вибираючи засіб вимірювання, слід враховувати не тільки приблизне значення амплітуди і частоти вимірювальної величини та допустиму похибку вимірювання, а також потужність кола, в якому здійснюється вимірювання. Пояснюється це тим, що вмикання амперметра або вольтметра, особливо в малопотужне, може викликати зміну вимірювальної величини і виникнення методичноі похибки.
В тих випадках, коли прямі вимірювання напруги або струму безпосередньо вольтметром або амперметром неможливі в схеми вимірювання додатково вольтметром або амперметром вмикають додаткові опори і шунти (для постійних напруги або струму) чи вимірювальні трансформатори напруги і струму (для переменних напруги і струму).
Відповідні схеми при цьому мають вигляд:
Ux=Uv+IvRg = Uv(1+(Rg/Rv)) Ix=Umv/Rш =(Umv/Uшном)Iшном
При цьому для схеми з шунтом min Uш і границя вимірювання мілівольтметра мають співпадати.
Ix=KI IA Ux=Ku Uv
Слід враховувати, що підмикання шунтів додаткових опорів або вимірювальних трансформаторів добавляють у похибку вимірювань Ux або Ix похибки шунта, додаткового опору або вимірювального трансформатора. Тому точність шунта додаткового опору чи вимірювального трансформатора має бути знехтовно мала у порівнянні з похибкою вольтметра чи амперметра.
Вимірювання дуже малих напруг і струмів часто виконують за допомогою компенсаторів. В першому випадку вимірюванна напруга зрівноважуєтся зустрічно направленою електричною напругою і вимірювальній прилад - НІ тільки фіксує момент іх рівноваги, не вносячи спотворень у контрольне коло.
В другому випадку малий вимірюванний струм спочатку перетворюється за допомогою каліброваного шунта у спад напруги на ньому, а потім цей спад вимірюється компенсатором аналогично вимірюванню малої напруги. При вмиканні вольтметра або амперметра у вимірювальне коло через власне споживання вимірювальними приладами виникає методична похибка. Наприклад, треба виміряти струм Ix споживача з опором R, який живиться від джерела електрорушійної сили У з внутрішнім опором R0 . До вмикання амперметра значення Ix в цьому колі буде . Після вмикання амперметра з власним опором RА струм в цтому є колі буде дорівнювати . Амперметр виміряє саме це значення струму. Внаслідок чого виникає методична похибка, відносне значення якої дорівнює . У випадку вимикання напруги на опорі R споживача маємо відповідно , .
RV – опір вольтметра, UV – напруга, виміряна вольтметром. Методична похибка в цьому випадку дорівнює . З виразів (М(І і (М(U видно, що методичні похибки зменшуються із зменшенням RА або із збільшенням RV. Слід відмітити, що розглянуті методичні похибки повністю відсутні, коли вольтметр або амперметр постійно ввімкнені у контролююче коло його робочого режиму.
2.7.2 Вимірювання потужності.
2.7.2.1. Вимірювання потужності в колах постійного струму.
В колах постійного сруму потужність можна визначити як добуток показів амперметра і вольтметра P=UvIA , ввімкнених за такими схемами
Похибка вимірювання складаєтся з власних (інструментальних) похибок амперметра і вольтметра та похибок метода. Методична похибка залежить від схеми вмикання амперметра і вольтметра. Тому для схеми а маємо ,
, де , .
Тут Rх – значення вимірянної потужності, Рv – потужність, споживана вольтметром. Значення Ра визначене за показом вимірювальних приоладів в схемі а перевищує значення Рх на величину Рv. Звідки можна записати, що відносна методична похибка .
Для схеми б маємо ,
, де
.
При вимірюванні великих потужностей і (Ма та (Мб (0.
Тому в цьому випадку методичними похибками можна знехтувати. Але при вимірюванні незначних потужностей методичні похибки залежно від значення Рv і РА можуть досягати досить великих значень. Очевидно, що в цьому випадку для розглянутих схем вольтметр і амперметр треба вибирати з можливо меншим споживанням потужності. Значення Рv і РА можна визначити за виразами , . Недоліком метода вимірювання потужності за допомогою амперметра і вольтметра є необхідність одночасного відліку показів двох вимірювальних приладів і подвльших обчислень. Тому потужність більш зручно вимірювати шляхом прямого вимірювання за допомогою ватметра.
Ватметр має дві обмотки: струмову і обмотку напруги. Нерухома катушка ватметра є струмовою (послідовною) і підмикається послідовно з досліджуваним об`єктом. Рухома катушка є обмоткою напруги (паралельна) і вмикається паралельно об`єкту .Через те що напрямок відхилення рухомої частини ватметра залежить від взаємних напрямів струмів у катушках для забезпечення правильності підмикання ватметра у вимірювальне коло, один із зажимів послідовної і паралельної обмоток має позначення *, ” Г ” і називається генераторним. Через те, що ватметр має дві обмотки як і при застосуванні метода амперметра і вольметра принципово можливе використання двох схем підімкнення ватметра (а, б).
А Б
Ці дві схеми аналогічні схемам а, б вимірювання потужності амперметром і вольтметром. Якщо струмову обмотку і обмотку напруги ватметра розглядати як аналоги амперметра і вольтметра. Звідси вітікає, що аналіз методичних похибок і відповідних рекомендацій для схем а, б вимірювання потужності методом амперметра і вольтметра можна застосовувати для відповідних схем вимірювання потужності ватметром.
Але слід зауважити, що для технічних вимірювань вибір схеми підмикання вольтметра не потребує проведення вище розглянутого аналізу і для технічних вимірювань як правило можлива застосовувати як схему а тае і б, орієнтуючись тільки на границі вимінювання ватметра за струмом і напругою.
Результатом вимірювання потужності ватметром визначається по показу ватметра. При цьому ціна поділки шкали однограничного ватметра у ватах, кіловатах, мегаватах позначена на шеалі ватметра, а у багатограничних ватметрах ціна поділки шкали залежить від границі вимірювання ватметра за струмом і напругою.
Наприклад:багатограничний ватметр типу Д-566/11 має шкалу від 0 до 150, границі вимірювання за струмом 5; 10 А, за напругою – 75; 150; 300В.
Визначення ціни поділки шкали ватметра базується на тому ,що відхилення стрілки ватметра на всю шкалу буде, якщо він виміряє потужність, що дорівнює добутку границь за струмом і напругою. Отже:
1) ціна поділки шкали на границях 5 А і 150 В дорівнює
=5 Вт/под
2) на границях 10 А і 300 В
=20 Вт/под
3) на гр...
24.01.2012 21:01-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора