эиэ. Технология мяса и мясных продуктов, 260303 Технология молока и молочных продуктов. СанктПетербург 2009 2
 Скачать 2.12 Mb.
|
|
5.2. Погрешности измерения и классы точности Погрешность средств измерений – это разность между значением физической величины, обозначенной на приборе, и ее истинным значением. Погрешности разделяются – по характеру проявления – на систематические и случайные – по зависимости от изменения во времени – на статические и динамические – по зависимости от условий возникновения – на основные и дополнительные – по способу числового выражения – на абсолютные, приведенные и относительные. Абсолютная погрешность – это разность между показанием прибора Аи действительным значением измеряемой величины Ад = А – А д Относительная погрешность – это отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины А, выраженное в процентах %. 100 Д А Приведенная погрешность пр – это отношение абсолютной погрешности к максимальному значению по шкале прибора, выраженное в процентах пр А 57 Обобщенной характеристикой средств измерения является класс точности, определяемый приведенной погрешностью. Для электромеханических измерительных приборов по ГОСТу устанавливается 8 классов точности 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4. Принадлежность прибора к определѐнному классу указывает, что основная погрешность прибора на всех делениях шкалы не превышает значения, определяемого классом точности этого прибора. Кроме понятия погрешности приборов пользуются понятиями – чувствительность прибора – отношение перемещения указателя (стрелки) к изменению измеряемой величины, вызвавшему это перемещение x S d α d – (дел А дел / Вдел Вт и т. д) ; – постоянная прибора (цена деления) – величина, обратная чувствительности. Она показывает, какому изменению измеряемой величины соответствует отклонение указателя на одно деление С = 1 / S – (А дел Вдел Вт делит. д. Погрешности измерения возникают вследствие несовершенства метода измерения, ограниченной точности средств измерения, индивидуальных особенностей наблюдателя. Они делятся на методические, обусловленные несовершенством метода измерения инструментальные, связанные с погрешностью самих средств измерения субъективные, зависящие от особенностей органов чувств наблюдателя. Численно погрешности измерения выражаются также, как и погрешности средств измерения абсолютные, относительные. 5.3. Показывающие измерительные приборы с электромеханическими преобразователями Структурная схема электромеханических приборов имеет следующий вид y x И Ц ИМ где x – измеряемая величина y – промежуточная электрическая величина угол перемещения подвижной части ИЦ – измерительная цепь прибора – преобразователь одной электрической величины в другую электрическую величину ИМ – измерительный механизм – совокупность деталей, образующих подвижную и неподвижную части прибора. В электромеханических приборах имеются подвижная и неподвижная части. На каждой или на одной из них располагаются обмотки и соответствующие зажимы, через которые к прибору подводится ток или напряжение нив свою очередь, создают механические силы, действующие на подвижную часть и вызывающие ее перемещение, пропорциональное значению измеряемой величины. Преобразование y = f (x) осуществляется в измерительной цепи прибора, а преобразование = f (y) – в его измерительном механизме В зависимости от физических явлений, положенных в основу создания вращающего момента различают следующие измерительные системы приборов (их условные обозначения указываются на шкалах приборов – магнитоэлектрические (МЭ) – электромагнитные (ЭМ) – электродинамические (ЭД) – ферродинамические (ФД) – индукционные (И) и другие. Всего существует 12 систем электромеханических приборов. Наиболее часто встречаются системы, перечисленные выше. Очень кратко остановимся на некоторых из них. 59 5.3.1. Магнитоэлектрические приборы Магнитоэлектрический измерительный механизм содержит неподвижный постоянный магнит и подвижную катушку стоком, выполненную из тонкого изолированного провода, намотанного на алюминиевый каркас, и укрепленную на растяжках (пружинках, одновременно являющихся токоподводами и создающими противодействующий момент. При равенстве вращающего и противодействующего моментов М вр = М пр угол поворота катушки и связанного с ней механически указателя (стрелки) пропорционален измеряемому току. Постоянный магнит создает сильное магнитное поле, поэтому даже при малых значениях измеряемых токов можно получить достаточный вращающий момент. Это дает возможность приборам МЭ системы иметь высокую чувствительность, когда внешние магнитные поля мало влияют на их показания и собственное потребление энергии ими достаточно мало. У этих приборов – линейная зависимость вращающего момента оттока, поэтому они достаточно выносливы к перегрузками имеют равномерную шкалу Для расширения пределов измерения приборы снабжаются добавочными резисторами или шунтами. Однако МЭ-приборы применяются в основном в цепях постоянного тока. Тем не менее, из-за их высокой чувствительности и точности бывает необходимость применения их в цепях переменного тока, особенно в качестве выходных приборов измерительных систем. Для этого их снабжают выпрямительными преобразователями, которые дают возможность измерять среднее значение в цепях переменного синусоидального тока. 5 .3.2. Электромагнитные приборы Электромагнитный измерительный механизм содержит неподвижную катушку (плоскую или круглую) и подвижный ферромагнитный сердечник. В результате взаимодействия магнитного поля катушки, по обмотке которой протекает измеряемый ток, с полем сердечника возникает вращающий момент, втягивающий сердечник в катушку. 60 При перемещении сердечника закручиваются спиральные пружинки, в результате чего возникает противодействующий момент, причем функции токоподводов в приборах этой системы пружинки не выполняют. Для защиты от внешних магнитных полей измерительный механизм со всех сторон закрыт ферромагнитным экраном. Вращающий момент, перемещающий указатель прибора, пропорционален квадрату тока, протекающего по катушке, поэтому шкала у ЭМ-приборов – неравномерная, что является их главным недостатком. Тем не менее возможность применения этих приборов в цепях, как переменного таки постоянного тока объясняет их широкое применение. Магнитное поле прибора, возбуждаемое самим измеряемым током, относительно слабое, поэтому чувствительность его измерительного механизма достаточно мала. Класс точности этих приборов обычно не выше 1,5. К недостаткам ЭМ-приборов нужно отнести появление погрешности при переходе от измерений на переменном токе к измерениям на постоянном токе, вызванной остаточным намагничиванием сердечника. Приборы этой системы допускают большие перегрузки, так как пружинки, создающие противодействующий момент, не являются токоподводами. Кроме того, приборы дешевы и просты по устройству. Электромагнитными приборами измеряют преимущественно переменные напряжения и токи невысоких частот, они широко применяются в промышленных установках переменного тока низкой частоты. Электродинамические приборы Электродинамический измерительный механизм состоит из двух катушек неподвижной, имеющей две одинаковые части, разделенные зазором, от которого зависит конфигурация магнитного поля, и подвижной, выполняемой бескаркасно из медного или алюминиевого провода. В зазор неподвижных катушек помещают ось подвижной части прибора. Неподвижные катушки изготавливают из медного провода, наматывая его на изоляционный каркас. 61 Катушки могут быть круглые и прямоугольные. Для включения обмотки подвижной катушки в цепь измеряемого тока используются пружинки или растяжки. Для успокоения подвижной части применяются магнитоиндукционные и воздушные успокоители. При наличии в катушках токов I 1 и I 2 возникают электромагнитные силы взаимодействия, стремящиеся повернуть подвижную катушку по одной оси с неподвижной (магнитные потоки неподвижных и подвижной катушки совпали. Противодействующий момент создается посредством закручивания пружинок. Отклонение стрелки пропорционально произведению токов подвижной и неподвижной катушек, следовательно, ЭД-приборы могут быть использованы в качестве ваттметров, измеряющих мощность, т. к. отклонение указателя 2 В цепях переменного тока ваттметры используются для измерения активной мощности Постоянная ваттметра определяется по формуле max н н I U C w , где U ни н – пределы измерения, на которые включены обмотки напряжения и тока) ваттметра max – максимальное значение по шкале прибора. Тогда значение мощности P = C w , где – показание ваттметра. При соответствующих включениях ЭД-приборы можно использовать в качестве амперметров и вольтметров. Электродинамические амперметры и вольтметры имеют неравномерную шкалу. Приборы этой системы пригодны для измерений в цепях как переменного таки постоянного тока. В ЭД-приборах измеряемые токи возбуждают относительно слабое магнитное поле, поэтому собственное потребление энергии прибором и чувствительность к влиянию внешних магнитных полей относительно невелики. Для борьбы с этим явлением применяют магнитные экраны, что усложняет конструкцию. Эти приборы (особенно амперметры) не допускают сколько- нибудь значительные перегрузки. Кроме того, они достаточно дорогие. Однако точность этих приборов может быть высокой – класса 0,2 62 и даже 0,1. Однако при их применении в цепях переменного тока, они имеют ограниченный частотный диапазон. 5.3.4. Индукционные приборы Индукционный измерительный механизм состоит из одного или нескольких неподвижных электромагнитов и подвижной части, выполненной в виде алюминиевого диска. Переменные магнитные потоки, направленные перпендикулярно плоскости диска, пронизывая последний, индуктируют в нем вихревые токи. Взаимодействие потоков электромагнитов стоками в диске создает вращающий момент, вызывающий перемещение подвижной части. Электромагниты возбуждаются измеряемыми переменными токами. Значение вращающего момента зависит от значений токов в электромагнитах и угла сдвига фаз между ними. Тормозной момент создается с помощью постоянного магнита, который охватывает край диска. При вращении диск пересекает магнитные линии и по закону Ленца в нем наводятся вихревые токи, стремящиеся препятствовать движению диска. Таким образом, тормозной момент пропорционален скорости вращения диска. Индукционные приборы применяются для измерения мощности и энергии в цепях переменного тока. Эти приборы имеют высокую точность и чувствительность. Недостатком их является довольно высокая стоимость и сложность конструкции. Активную энергию в цепях переменного тока измеряют индукционными счетчиками, включаемыми в цепь по тем же схемам, что и ваттметры = C n , где W – активная энергия C – постоянная счетчика, равная активной энергии, приходящейся на один оборот диска ( C = Pt/n ); n – число оборотов диска за промежуток времени t. Активная энергия в системах энергоснабжения измеряется с помощью двух- и трехэлементных счетчиков, включенных через измерительные трансформаторы тока и напряжения. 63 Реактивную энергию измеряют специальными индукционными счетчиками реактивной энергии. 5.4. Мостовые и компенсационные методы измерений Мостовые и компенсационные методы измерения относятся к методам сравнения. В этих методах измеряемая величина сравнивается с образцовой мерой. Техника измерения сложнее, чем с помощью приборов прямых измерений, но точность значительно выше. 5.4.1. Мостовые методы измерения Измерительный мост – устройство, позволяющее измерить параметры резисторов, катушек индуктивности и конденсаторов. Для измерения параметров катушек индуктивности и конденсаторов применяются мосты переменного тока. Для измерения сопротивлений резисторов применяются мосты постоянного тока (рис. 45). Измерительный мост имеет четыре плеча и две диагонали в диагональ с включен нуль-индикатор (НИ – гальванометр постоянного тока) , а в диагональ ab – источник ЭДС (E). В плечи моста включены R x = R 1 – неизвестное сопротивление R 3 , R 4 – плечи отношения R 2 – плечо сравнения – регулируемый резистор. Рис. 45 64 Равновесия моста добиваются путем регулирования сопротивления резистора R 2 так, чтобы показания нуль-индикатора были бы равны нулю тени, это значит, что потенциал точки с равен потенциалу точки d с = d ), тогда ток I 1 равен току I 2 (I 1 = I 2 ), а ток I 3 равен току I 4 (I 3 = I 4 ). Учитывая вышесказанное, по II закону Кирхгофа для левого и правого контура можно записать R x I 1 = R 3 I 3, R 2 I 2 = R 4 Если разделить почленно верхнее уравнение на нижнее и учесть равенство токов, то получим 4 3 2 R R R R x откуда 2 Вышеуказанное уравнение является условием равновесия моста произведения сопротивлений противоположных плеч равны между собой. Отсюда находится неизвестное сопротивление, которое равно 4 Кроме уравновешенных мостов существуют неуравновешенные мосты, в которых процесс уравновешивания не доводится до конца и на диагонали моста cd остается напряжение U cd , фиксируемое выходным прибором, по показаниям которого судят о значении измеряемого сопротивления или связанной с ним неэлектрической величины. 5.4.2. Понятие о мостах переменного тока Мосты переменного тока (рис. 46) применяются для измерения индуктивностей, емкостей и взаимной индуктивности. В общем случае уравнение равновесия моста можно представить в виде 65 4 3 2 1 Z Z Z Z , те. также, как в мостах постоянного тока, в мостах переменного тока произведение сопротивлений противоположных плеч равны между собой. Поскольку сопротивления моста переменного тока выражаются в комплексном виде ( 1 1 ` 1 j e Z Z ; 2 2 2 j e Z Z ; 3 3 3 j e Z Z ; 4 4 4 j e Z Z ), условие равновесия моста записывается следующим образом 3 2 4 1 3 2 4 Тогда получаем два условия равновесия моста 3 2 4 1 Z Z Z Z ; 3 2 4 Для конкретной схемы (рис. 46) – условие равновесия моста R 1 R 2 = x L x C , 0 + 0 = 90 – Учитывая, что x L = L и x C = 1 ω C , получим 1 L R = R 2 C. R 2 НИ R 1 R 2 j x L -j x c a c b d Рис. 46 66 Таким образом, при помощи моста переменного тока можно измерять параметры индуктивного или емкостного элемента, если параметры других элементов моста известны. Для повышения производительности и точности измерений применяются мосты с встроенной микропроцессорной системой. Нажатием соответствующих клавиш на панели управления задают вид измеряемого параметра, значение частоты напряжения генератора и форму представления результата. Микропроцессор по команде с панели управления включает генератор и считывает программу из постоянного запоминающего устройства, определяющую последовательность операций. Переменное напряжение разбаланса моста преобразуется в постоянное напряжение, а затем с помощью аналого-цифрового преобразователя – в числовой эквивалент, с помощью которого микропроцессор регулирует цепь моста до состояния равновесия. При достижении равновесия моста микропроцессорная система выполняет необходимые вычисления для получения результата измерения, преобразует его и выводит на дисплей в требуемой форме. 5.4.3. Компенсационные методы измерения Компенсационный метод измерения положен в основу приборов сравнения второй группы – потенциометров. Основное назначение компенсационного метода – измерение малых ЭДС, (например, ЭДС термопары) и градуировка электроизмерительных приборов. Сущность метода состоит в сравнении неизвестной ЭДС или напряжения с известным, взятым за образец. В основном для измерения малых ЭДС или напряжений применяются потенциометры постоянного тока. Потенциометры переменного тока применяются для измерения магнитных величин. Простейшая схема потенциометра постоянного тока показана на рис. 47. Контур I называется цепью рабочего тока Контуры II и III представляют собой измерительную цепь. 67 В контур I входят – E всп – вспомогательная батарея – R рег – регулировочный резистор – образцовый резистор R N сточным значением сопротивления, который выбирается в зависимости от значения рабочего тока – компенсирующий резистор К с точно известным регулируемым сопротивлением. В контуры II и III входят – Е нэ – нормальный элемент, ЭДС которого известна с большой точностью – Е – неизвестная ЭДС – НИ – нуль-индикатор. Первый этап измерения – калибровка потенциометра, те. установка рабочего тока. Для этого переключатель П устанавливается в положение 1. С помощью резистора R рег регулируем рабочий ток раб до тех пор, пока нуль-индикатор не покажет 0, теток через НИ проходить не будет (ни = 0). Это означает, что ЭДС нормального элемента (в контуре II ) уравновешивается падением напряжения на образцовом резисторе R N , те. раб R N = E нэ , отсюда раб = E нэ / R N Рис. 47 68 Второй этап – собственно измерение ЭДС (переключатель П устанавливается в положение 2). Изменением компенсирующего резистора К добиваемся того, чтобы ток через НИ опять стал равным нулю. Это значит, что ЭДС Е уравновешивается падением напряжения на части компенсирующего резистора – К , те I раб 1 К R = E x Подставив в последнее выражение уже определенное ранее значение рабочего тока (раб, получим значение неизвестной ЭДС 1 К нэ R R E E N x Точность измерения E x определяется – чувствительностью нуль-индикатора НИ неизменностью рабочего тока раб, те. стабильностью E всп ; – точностью изготовления резисторов R N и К (последний выполняется в виде высокостабильных многодекадных магазинов сопротивлений. Выпускаемые потенциометры имеют классы точности 0,005–0,5. Однако максимальное напряжение, которое может быть измерено потенциометрами постоянного тока – не более 2 В. Важным преимуществом компенсационного метода является возможность измерять (или использовать для управления) ЭДС объектов малой мощности. Существуют схемы компенсационного метода градуировки амперметра и вольтметра. Если установить положение движка потенциометра так, чтобы ток нормального элемента равнялся нулю, то зная сопротивление потенциометра, можно получить соответствие между отклонениями стрелок амперметра и вольтметра и значениями измеренных токов. Изменяя сопротивления регулируемых резисторов в цепях амперметра и вольтметра, можно проградуировать шкалы этих приборов. Достоинства компенсационных методов измерения – высокая точность измерения, так как величины Е НЭ , R N имеют весьма точные значения – компенсационная измерительная цепь работает без отбора энергии от объекта измерения, так как I НЭ = 0; 69 – возможность измерять очень малые ЭДС и напряжения, поскольку в момент компенсации ток от источника Ев компенсатор не поступает – отсутствие влияния сопротивления соединительных проводов. Недостатки компенсационных методов измерения – сложность изготовления потенциометров – высокая стоимость – влияние на показания приборов внешних воздействий например вибраций. |