Конспект лекции. Лекция Введение. Основные понятия и определения. Измерения, результат измерения, погрешности измерения и их классификация, достоверность измерения. Введение
 Скачать 1.55 Mb.
|
|
Контрольные вопросы: 1. Классификация средств измерения по назначению? 2.Что такое измерительный преобразователь? 3.Классификация измерительных приборов? 4.Что такое цена деления шкалы измерительного прибора? 5.Что такое измерительная система? 6. Какие условия работы приборов называются нормальными? 14 Лекция 4. Принципы и методы измерений. Классификация методов измерений Принципы и методы измерений Измерения как экспериментальные процедуры определения значений измеряемых величин весьма разнообразны, что объясняется множеством измеряемых величин, различным характером их изменения во времени, различными требованиями к точности измерений и т. д. Измерения базируются на определенных принципах. Принцип измерения - совокупность физических явлений, на которых основаны измерения. Метод измерения - совокупность использования принципов и средств измерений. Измерения в зависимости от способа обработки экспериментальных данных для нахождения результата относят к прямым, косвенным, совместным или совокупным. Прямые – искомое значение физической величины получают непосредственно из опыта. Примеры: измерение длины линейкой; измерение тока амперметром и т.п., т.е. все обычные измерения. Косвенные – искомое значение физической величины вычисляют на основании известной зависимости этой величины от нескольких других, значения которых получены прямыми измерениями. Пример: вычисление сопротивления R по измеренным значениям напряжения U и тока I. Замечание: измерение сопротивления омметром – это прямое измерение. Совокупные и совместные – одновременное измерение нескольких величин и нахождение искомых значений путѐм решения системы уравнений. При совокупных измеряемые величины одноимѐнные, при совместных – не одноимѐнные. Пример совокупных измерений показана на рисунке 4.1. Рисунок 4.1 – К принципу совокупного измерения R 1 R 2 R 3 A B C 15 На рисунке 4.1 R 1 ; R 2 ; R 3 – искомые сопротивления. Треугольник разрывать нельзя. Измеряют сопротивления R AB ; R BC ; R AC между точками А, В, С, составляют систему трѐх уравнений с тремя неизвестными и находят R 1 ; R 2 ; R 3 Пример совместных измерений: R = R 0 (1 + αθ), где R – сопротивление при температуре θ; R 0 – значение R при θ = 0; α – температурный коэффициент. Искомыми являются R 0 и α. Измеряют два значения R: R = R 1 при θ = θ 1 и R = R 2 при θ = θ 2 Решение системы двух уравнений R 1 = R 0 (1 + αθ 1 ) R 2 = R 0 (1 + αθ 2 ) даѐт искомые значения R 0 и α. Если R = R 0 (1 + αθ + βθ 2 ), то для нахождения R 0 ; α и β нужны три уравнения. Замечание. Иногда совокупные и совместные измерения считают частными случаями косвенных. Методы измерений Как уже указывалось, взаимодействие средств измерений с объектом основано на физических явлениях, совокупность которых составляет принцип измерений, а совокупность приемов использования принципа и средств измерений называют методом измерений. Числовое значение измеряемой величины получается путем ее сравнения с известной величиной, воспроизводимой определенным видом средств измерений — мерой. В зависимости от способа применения меры известной величины выделяют метод непосредственной оценки и методы сравнения с мерой. Метод непосредственной оценки (мера в явном виде не присутствует, она отражена в шкале). Примеры: пружинные весы, амперметр со стрелкой и шкалой и т.п. Методы сравнения с мерой (она присутствует в явном виде): нулевой метод; дифференциальный метод; метод замещения; метод совпадений. Методы сравнения с мерой более точные, но и более медленные. Нулевой метод. Разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, доводится до нуля. Примеры: рычажные весы с гирями; равновесный мост; компенсатор. Равновесный мост постоянного тока показана на рисунке 4.2. R x R 1 R 2 R 3 I НИ 16 Рисунок 4.2 – Равновесный мост Изменением R 1 уравновешивают мост, т.е. добиваются отсутствия тока в нуль-индикаторе НИ. Легко показать, что при этом R x R 2 = R 1 R 3 Отсюда измеряемое сопротивление R x = 2 3 1 R R R Обратите внимание, что при изображении НИ на схемах стрелку внутри окружности рисуют вертикально. Дифференциальный метод. Разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряется прибором непосредственной оценки (см. рисунок 4.3). Примеры: пружинные весы с маленькой платформой, на которую ставят гирю, когда масса на большой платформе превышает диапазон измерения по шкале; неравновесный мост. Рисунок 4.3 – К принципу дифференциального метода Неравновесный мост постоянного тока: при ΔR = 0 изменением R 1 мост уравновешен при R 0 R 2 = R 1 R 3 ; далее при ΔR ≠ 0 значение ΔR преобразуется в ток I. Неравновесные мосты широко применяются при измерении не электрических величин. Измеряемая величина преобразуется в ΔR измерительным преобразователем. Например, температура преобразуется в изменение сопротивления терморезистора. Метод замещения. Измеряемую величину замещают известной, и измеряют поочерѐдно (см. рисунок 4.4). Пример: R x – искомое сопротивление; R 0 – известное. Поочерѐдно измеряют напряжения U x и U 0 + R 0 + ΔR R 1 I R 2 R 3 + – 17 I R U R U 0 0 x x ; R x = R 0 0 x U U Ток I не нужно точно устанавливать, не нужно знать его значение. Рисунок 4.4 – К принципу метода замещения. Метод совпадений. Разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Примеры: штангенциркуль с нониусом; стробоскоп – метка на вращающемся теле освещается вспышками лампы и кажется неподвижной, когда частота вспышек равна (или кратна) частоте вращения. Наблюдение — экспериментальная операция, выполняемая в процессе измерения, в результате которой получают одно из группы значений величины. В последнем случае для получения результата измерения требуется статистическая обработка наблюдений. Измерения вероятностных характеристик случайных процессов называют статистическими измерениями. Измерения разделяют на статические и динамические в зависимости от режима работы применяемых средств измерений. К статическим измерениям относят измерение, при котором средство измерений работает в статическом режиме, т. е. когда выходной сигнал средства, например отклонение указателя, остается неизменным в течение времени использования выходного сигнала. К динамическим измерениям относят измерение, выполняемое средством измерений в динамическом режиме, т. е. когда выходной сигнал средства изменяется во времени так, что для получения результата измерения необходимо учитывать это изменение. Для оценки точности результатов динамических измерений необходимо знание динамических свойств средств измерений. Определение последовательных значений величины, изменяющейся во времени, производят для нахождения временной зависимости изменений этой величины. В этом случае определяют ряд значений, т. е. производят несколько измерений, причем в каждом из них измеряемой должна быть мгновенная величина — величина, соответствующая определенному моменту времени. Если на заданном интервале времени число измеряемых мгновенных величин конечно, то говорят о дискретных измерениях, а если бесконечно, то это аналоговые измерения. В зависимости от точности оценки погрешности измерения бывают с точной оценкой и с приближенной оценкой погрешности. При измерениях с точным R x R 0 I U x U 0 18 оцениванием погрешности учитывают индивидуальные свойства средств измерений и контролируют условия измерений. При измерениях с приближенным оцениванием погрешности учитывают нормативные данные о средствах измерений и приближенно оценивают условия измерений. Последних измерений подавляющее число. Контрольные вопросы: 1. К какому виду (классу) относится измерение, выражаемое формулой Y=X, где Y-искомое значение измеряемой величины, X-значение, непосредственно получаемое из опытных данных. 2. При каком измерении искомые значения разноименных величин определяются путем решения системы уравнений? 3. При каком методе измерения необходимо непосредственное участие мер в процессе измерения? 4. Чем отличается совместное измерение от совокупной? 5. Как классифицируется измерения в зависимости от режима работы средств измерения? 5 лекция. Электрическое измерение. Электроизмерительные средства измерений и их классификация Электрическое измерение Одним из разделов измерительной техники является электроизмерительная техника — область научно-производственной деятельности людей, связанная с научными исследованиями, производством и эксплуатацией электрических средств измерений (электроизмерительных средств), т. е. средств, в которых измерительная информация передается в основном с помощью электрического сигнала. Измерение - это совокупность операции по применению технического средства хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождения соотношения величины с еѐ единицей и получение значения этой величины. До этого было принято другое, вошедшее во многие книги: «Измерение – это нахождение значения физической величины опытным путѐм с помощью специальных технических средств». Измерение – широкое понятие. Далее мы будем заниматься электрическими измерениями. Что это значит? Измерения физических величин с помощью электрических средств измерений называют электрическими измерениями. Физические величины могут быть: - механические – сила, давление; - пространства и времени – длина, время, скорость;… - тепловые – температура, теплоѐмкость, теплопроводность;… - электрические – ток, напряжение, мощность, сопротивление;… - световые – сила света, световой поток, освещѐнность; - акустические – скорость звука, звуковое давление. Электрические величины в свою очередь можно разделить на: 19 - активные – ток, напряжение, э.д.с., мощность и др; - пассивные (параметрические) – сопротивление, ѐмкость, индуктивность, взаимная индуктивность и др. Кроме того, есть некоторые величины, неразрывно связанные с электрическими – частота, период, фазовый сдвиг. Под электрическими измерениями понимают: Измерения электрических величин; Измерения временных величин, связанных с электрическими (обычно активными); Измерение неэлектрических величин, преобразованных в электрические, например, измерение температуры с помощью термопары. Термопара – пример измерительного преобразователя. Его нельзя отнести ни к мерам, ни к измерительным приборам. Меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи – простейшие средства измерений. Основными преимуществами электрических измерении разнообразных величин являются следующие: - возможность высокоточных измерительных преобразований при сравнительно простых и дешевых электронных устройствах; - высокая чувствительность и простота регулировки электрических сигналов в электронных средствах измерения (СИ), что обеспечивает измерение физических величин в широком диапазоне значений измеряемой величины; - малая инерционность электрических цепей и устройств, их широкополосность, позволяющие производить преобразование как очень медленных, так и достаточно быстрых процессов; - возможность бесконтактных и дистанционных измерительных преобразований на значительном расстоянии от оператора и при большом количестве разнородных по физической природе и разнесенных в пространстве объектов с передачей информации по проводным и радиоканалам связи; - относительная простота преобразования и возможность представления информации в аналоговой или цифровой форме, позволяющая автоматизировать процесс измерения и управлять им. Полученные данные можно использовать для управления контролируемым процессом, для дальнейшей обработки и автоматической регистрации результатов, т.е. возможно решение комплексных задач измерения, контроля и управления путем создания различных систем, в том числе с использованием электронно-вычислительных машин (ЭВМ); - возможность комплектования измерительных и управляемых ими автоматических устройств из блоков однотипной электрической аппаратуры, что имеет важнейшее значение как для научного, так и для промышленного оборудования; - сведение к минимуму количества механических, гидравлических и т.п. элементов повышает надежность и технологичность изготовления СИ; - минимальные габариты и вес при большой плотности элементов; - широкие возможности для унификации, стандартизации и агрегатирования СИ. 20 Электроизмерительные средства измерений и их классификация Все измерения физических величин выполняют с помощью средств измерений. Средство измерений – техническое устройство, используемое в измерительном эксперименте и имеющее нормированные характеристики точности. Для выполнения измерений с учетом различных требований и различных условий измерительная техника располагает большим перечнем различных средств измерений. По функциональному назначению все средства измерений разделяют на следующие группы: - меры – средство измерений, предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера; - измерительные преобразователи – средство измерений, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающегося непосредственному восприятию наблюдателем; - измерительные приборы – средство измерений, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем; - измерительные информационные системы и измерительные установки – совокупность средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и пр.) и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи и предназначенных для получения измерительной информации доступной для наблюдения, обработки и управления объектами. Контрольные вопросы: 1. Что понимается под надежностью средств измерении? 2. Что такое электрическое измерение? 3. Как классифицируется электрические средства измерения? 4. В чем заключается особенности электрического измерения? Лекция 6. Меры и измерительные преобразователи электрических величин. Масштабирующие измерительные преобразователи: шунты, делители напряжения, усилители, измерительные трансформаторы Меры и измерительные преобразователи электрических величин Общие сведения. К мерам относят эталоны, образцовые и рабочие меры. Эталоны, занимающие особое место среди мер, предназначены для воспроизведения и (или) хранения единиц физических величин с целью передачи их размера другим средствам измерений. Образцовые и рабочие меры. По назначению меры делят на образцовые и рабочие. Меры, утвержденные в качестве образцовых, предназначаются для 21 поверки и градуировки рабочих средств измерений. Рабочие меры служат для измерений. По точности воспроизведения физической величины образцовые меры бывают I, 2 и 3-го разрядов, причем наименьшая погрешность воспроизведения у меры 1-го разряда. По допускаемой погрешности воспроизведения значения физической величины рабочие меры относят к различным классам точности. По количеству воспроизводимых размеров величины меры делят на однозначные и многозначные и наборы мер. К однозначным мерам относят измерительные катушки сопротивления, катушки индуктивности и взаимной индуктивности, измерительные конденсаторы постоянной емкости, нормальные элементы и стабилизированные источники напряжения. Измерительные катушки сопротивления. Катушки сопротивления выполняют на номинальное значение сопротивления 10 ±n Ом, где п — целое число. Они имеют четыре зажима, два из которых называют токовыми, а два — потенциальными. Между потенциальными зажимами сопротивление катушки соответствует номинальному значению при включении катушки в цепь с по- мощью токовых зажимов. Обмотку катушки сопротивления выполняют из манганина, имеющего большое удельное электрическое сопротивление при малом температурном коэффициенте сопротивления, малой термо-ЭДС в паре с медью и при высокой стабильности своих свойств. Катушки сопротивления могут иметь класс точности от 0,0005 до 0,1 при номинальном сопротивлении от 10 -5 до 10 10 Ом. Измерительные катушки индуктивности и взаимной индуктивности. Катушки индуктивности выполняют из проволоки, намотанной на каркас. Они выпускаются с номиналами от 10 -6 до 1 Гн классов точности от 0,05 до 0,5 и с верхним пределом частоты 100 кГц. Эквивалентная схема катушки индуктивности совпадает с эквивалентной схемой катушки сопротивлений, но с иным соотношением параметров. Катушки взаимной индуктивности имеют две обмотки, намотанные на общем каркасе. Катушки выпускают с номиналами от 10 -4 до 10 -2 Гн с допускаемой основной погрешностью ±0 s l% и с верхним пределом частоты 50 кГц. Измерительные конденсаторы. В качестве однозначных мер электрической емкости применяют воздушные и газонаполненные конденсаторы и конденсаторы со слюдяной изоляцией. Емкость воздушных конденсаторов не превышает 10 000 пФ. Для работы в цепях высокого напряжения применяют газонаполненные конденсаторы. Измерительные конденсаторы имеют класс точности от 0,005 до 1. |