В каталоге метрологического оборудования и приборов компании «Техноавтоматика» представлен широкий спектр современной контрольно-измерительной аппаратуры. По каждому прибору есть полная информация, сканированные копии оригинальных паспортов производителей, фото и экспертное описание каждой позиции. Все это позволит вам получить полное представление о товаре, определиться с потребностью в обеспечении вверенного производства и с бюджетом компании.

Каталог метрологического оборудования и приборов разработан на основе иерархического списка. С любого подраздела можно уйти в вышестоящий раздел, посмотреть весь ассортимент предпочитаемого производителя или сравнить с аналогичными по функциям устройствами. Удобство каталога заключается в возможности сборки комплекта оборудования из основной аппаратной части, дополнительных устройств, например, средств калибровки измерительных приборов, и необходимым на первое время запасом расходных материалов.

Приборы испытания

В эту категорию высокоточных устройств входят эталонные приборы, которые позволяют воспроизводить условия, приближенные к реальным, для контроля тестируемых средств измерения. Чаще представлены стационарными стендами, которые позволяют обслуживать несколько измерительных средств одновременно. В линейке приборов испытания представлены такие производители, как «Альфапаскаль» и YOKOGAWA. Выбор техники осуществляется согласно типовому листу производителя, — по диапазону измерений и функциональным возможностям.

Приборы проверки

Следующий раздел каталога метрологического оборудования представлен приборами проверки средств измерения. В задачи приборов входит поверка чувствительных элементов на предмет точности по требованию оператора. Чаще всего такие устройства работаю в составе единой системы автоматизации предприятия. Располагаются поблизости с технологическим участком.

Приборы калибровки измерительных приборов

Следующая группа устройств, с помощью которых добиваются филигранной точности в настройке чувствительных элементов измерительной аппаратуры. Выбирать приборы калибровки можно как по конкретным функциям и возможностям, так и по типовому листу производителя, — именно там представлено подробное описание целого ряда моделей одного производителя.

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

Кафедра электротехники, метрологии и электроэнергетики

Г.Г. Рябцев, И.В. Семенов

УТВЕРЖДЕНО редакционно-издательским советом университета

МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ

Методические указания к лабораторной работе по метрологии для студентов электротехнических специальностей

Москва - 2004

УДК 621.317.39(075.8)

Рябцев Г.Г. Семенов И.В. Метрологические характеристики электромеханических измерительных приборов непосредственной оценки: Методические указания к лабораторной работе. – М.: МИИТ, 2004. – 24 с..

Даны краткие теоретические сведения о метрологических характеристиках электромеханических измерительных приборов непосредственной оценки, приведены примеры расчета характеристик приборов и выбора приборов для измерений с учетом особенностей измеряемых им электрических величин.

© Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), 2004

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Исследование метрологических характеристик электромеханических приборов непосредственной оценки.

2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ Электромеханический прибор непосредственной оценки – это

прибор, в котором отсчет результата измерения проводят непосредственно по шкале, отградуированной в единицах измеряемой прибором величины.

Метрологические характеристики – это характеристики прибора,

определяющие его пригодность для измерения определенной физической величины в заданном диапазоне ее значений и с заданной точностью.

Метрологические характеристики средств измерений разделяют на статические и динамические.

Статические характеристики определяют свойства прибора при измерении имустановившихся значений искомой величины. К статическим характеристикам прибора относятся: функция преобразования, диапазоны показаний и измерений, чувствительность, цена деления шкалы, входное сопротивление, потребляемая мощность и класс точности.

Динамические характеристики определяют свойства прибора при измерении имизменяющихся во времени величин . К динамическим характеристикам относятся: амплитудно-частотная характеристика, переходная характеристика и динамическая погрешность прибора.

2.1. Функция преобразования прибора

Функция преобразования (или уравнение) прибора – это зависимость выходного сигнала прибораот величины измеряемого им

входного сигнала

Для электромеханических измерительных приборов непосредственной оценки – это зависимость угла α отклонения (в делениях шкалы прибора) стрелки отсчетного устройства прибора от уровня X измеряемой им величины.

Функции преобразования приборов представляют в виде аналитических зависимостей, графиков, таблиц. Функция преобразования прибора служит для построения градуировочной характеристики его шкалы. Идеальная функция преобразования представляет собой линейную зависимость (при этом шкала прибора равномерная, что обеспечивает более точный отсчет результата измерения).

2.2. Диапазон показаний и диапазон измерений прибора

Диапазон показаний – это область значений шкалы прибора, ограниченнаяначальной иконечной отметками шкалы.

Диапазон измерений – это область значений измеряемой величины, в

пределах которой нормированыдопускаемые пределы погрешности

В приборах с линейной функцией преобразования и равномерной шкалой диапазон показаний и диапазон измерений совпадают.

В приборах с нелинейной функцией преобразования и неравномерной шкалой диапазон измерений отмечают на шкале точками или сплошной линией, проведенной под отметками шкалы (рис. 1).

Наименьшее значение измеряемой величины в диапазоне измерения называют нижним пределом измерения, а наибольшее значение – верхним пределом измерения.

X max

α max

2.3. Чувствительность прибора

Чувствительность измерительного прибора характеризует способность прибора реагировать на изменения входного сигнала. Чувствительность определяется из уравнения преобразования и представляет собой отношение изменения сигнала Δα навыходе прибора к изменениюX сигнала навходе прибора

Чувствительность приборов с неравномерной шкалой имеет различные значения в различных точках шкалы и для каждой ее точки определяется отношением (2).

2.4. Цена деления шкалы прибора

Цена деления шкалы стрелочного измерительного прибора – это разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы, онаопределяет масштаб отсчетного устройства прибора.

Цена деления равномерной шкалы определяется как отношение

Например, для миллиамперметра из п. 2.3. цена деления составит С = 1 mA .

Цена деления неравномерной шкалы прибора определяется в каждой ее точке как разность значений измеряемой величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы.

2.5. Входное сопротивление и потребляемая мощность прибора

Входное сопротивление и потребляемаямощность определяют

степень влияния измерительного прибора на режим работы

электрической цепи , в которой производится измерение. Например, чем меньше входное сопротивление вольтметра, тем сильнее уменьшается

падение напряжения на участке цепи, параллельно которому подключен этот вольтметр, так как уменьшается эквивалентное сопротивление цепи, определяемое параллельно соединенным сопротивлением участка цепи и вольтметра. Следовательно, вольтметры должны иметь как можнобольшее сопротивление. В отличие от вольтметров,амперметры должны иметь как можноменьшее входное сопротивление, так как они включаются в электрическую цепь последовательно и увеличивают сопротивление этой цепи, в результате чего ток в ней уменьшается.

Входное сопротивление прибора указывают в его паспорте, а если оно не указано, то его определяют расчетным путем.

Для расчета входного сопротивления вольтметра используют верхний предел U max измеряемого им напряжения и соответствующее ему значениеI max протекающего по вольтметру тока (ток полного отклонения).

Для расчета входного сопротивления амперметра используют верхний предел I max измеряемого им тока и соответствующее ему падение напряженияU max на амперметре. Значения тока полного отклонения для вольтметров и падения напряжения для амперметров указывают в их паспортах, а в некоторых типах приборов (в том числе М2038 и АВО-5М1) они указаны на шкале. По указанным значениям входное сопротивление

Входные сопротивления электромеханических вольтметров лежат в пределах от нескольких единиц до десятков тысяч Ом, а амперметров – от сотых до десятых долей Ом.

Максимальное значение потребляемой прибором мощности находят по указанным выше значениям его тока и напряжения

или по пределу измеряемой прибором величины и его входному сопротивлению. Например, для вольтметра

Для омметров входное сопротивление и потребляемую мощность не устанавливают, так как омметрами измеряют сопротивление обесточенной цепи. Следовательно, омметры не потребляют мощность из цепи, в которой проводятся измерения, и указанные характеристики для них не имеют смысла.

2.6. Класс точности прибора

Класс точности определяет гарантированные границы , за пределы которых не выходит погрешность прибора в установленном для него диапазоне измерений.

Класс точности К Т электромеханических стрелочных измерительных приборов нормируют в виде процентного отношения пределаD X max

(гарантированных границ ) абсолютной погрешности прибора к

нормирующему значению X НОРМ его шкалы

Нормирующим значением X НОРМ для приборов с равномерной шкалой служитверхний предел измеряемой прибором величины, а для приборов с

неравномерной шкалой – длина еерабочей части , т.е. длина участка между отметками шкалы, соответствующими диапазону измерений прибора.

Для электромеханических стрелочных измерительных приборов установлены следующие цифры классов точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 (для лабораторных приборов) и 1; 1,5; 2,5; 4 (для технических приборов).

Цифра класса точности прибора указывается на его шкале. Для приборов с равномерной шкалой эта цифра указывается без каких либо знаков (кружков, квадратов, звездочек), например, 2,5. Для приборов с неравномерной шкалой цифра класса точности подчеркивается ломаной

линией, например, 2,5 .

По формуле (9) класса точности прибора проводят оценку предельно допустимого значения егоабсолютной погрешности. Такая оценка необходима для определения погрешности результата измерения, выполняемого прибором, а также для выбора прибора, обеспечивающего требуемую точность измерений.

Расчет предела абсолютной погрешности прибора с равномерной шкалой проводитсянепосредственно по формуле (9) класса точности, а для приборов снеравномерной шкалой по формуле (9) сначала определяетсяпогрешность приборав единицах (мм)длины шкалы , а затем по ней ицене деления шкалы рассчитывается абсолютная погрешность в единицах измеряемой величины.

Пример 1. Определить предел I max абсолютной погрешности амперметра, который имеет равномерную шкалу, верхний предел измеряемого токаI max = 5 A и класс точностиК Т = 1 .

Решение 1. Прибор имеет равномерную шкалу, следовательно, нормирующим значением в формуле (9) его класса точности является верхний предел измеряемого тока I max = 5 A .

Предел абсолютной погрешности амперметра находится непосредственно из формулы (9)

DI max = ±К Т × I max = ±1 × 5 = ±0,05 A .

Пример 2. Определить предел D R max абсолютной погрешности омметра с неравномерной шкалой в трех ее точках (начале, середине и конце шкалы), если диапазон измерений прибора лежит в пределах от 3 до 300 кОм, длина рабочего участка шкалы (т.е. между отметками 3 и 300)

составляет L Р = 60 мм , класс точностиК Т = 2,5 , цена деления (в мм) шкалы в

начале, середине и конце рабочего участка шкалы соответственно равна,

Колчков В.И. МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ. М.:Учебное пособие

3. Метрология и технические измерения

3.5. Средства измерений

3.5.5. Метрологические характеристики измерительных приборов

Метрологическими характеристиками измерительных приборов и установок являются: диапазон показаний, диапазон измерений, цена деления шкалы, длина деления шкалы, чувствительность и вариация и др.

Метрологическими характеристиками называются технические характеристики , определяющие свойства измерительных приборов и оказывающие влияние на результаты и на погрешности измерений. Они предназначены для оценки технического уровня и качества средства измерений.

Технические характеристики относятся к показателям точности, оказывающим влияние на результаты измерений

Диапазон показаний - область значений шкалы, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы. Наибольшее и наименьшее значения измеряемой величины, отмеченные на шкале, называют начальным и конечным значениями шкалы прибора. Например, для оптиметра типа ИКВ - 3 диапазон показаний по шкале составляет ±0,1 мм, для длиномера типа ИЗВ диапазон показаний по шкале составляет 0 - 100 мм.

Диапазон измерений - область значений измеряемой величины с нормированными допускаемыми погрешностями средства измерений. Для оптиметра типа ИКВ - 3 диапазон измерений размеров составляет 0 - 200 мм, для длиномера - 0 - 250 мм.

Цена деления шкалы - разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Например, для оптиметра и длиномера это - 0,001 мм, а для микрометра - 0,01 мм.

Длина деления шкалы - расстояние между осями (центрами) двух соседних отметок шкалы, изме-ренное вдоль воображаемой линии, проходящей через середины малых отметок шкалы. Очевидно, чем больше длина деления шкалы, тем выше усиление и тем комфортнее воспринимается наблюдателем измерительная информация.

Чувствительность измерительного прибора - отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины. Так, если при измерении диаметра вала с номинальным размером х = 100 мм изменение измеряемой величины равное 0,01 мм вызвало перемещение стрелки показывающего устройства на 10 мм, абсолютная чувствительность прибора составляет 10/0,01 = 1000, относительная чувствительность равна 10 (0, 01/100) = 10.000. Для шкальных измерительных приборов абсолютная чувствительность численно равна передаточному отношению и с изменением цены деления шкалы чувствительность прибора остаётся неизменной. Однако на разных участках шкалы чувствительность может быть разной. Понятие чувствительности может определяться передаточной функцией, как функцией отношения сигналов на входе и на выходе преобразователя, В зависимости от вида функции чувствительность может быть либо постоянной величиной, либо величиной, зависящей от этой функции. Если функция линейная, то прибор имеет линейную шкалу, в противном случае - нелинейную. Линейность шкалы зависит не только от характеристик преобразователя, но и от выбора единиц физических величин.

Наряду с чувствительностью существует понятие порог чувствительности , представляющее собой минимальное значение изменения измеряемой величины, которое может показать прибор. Порог чувствительности тем ниже, чем больше чувствительность. Кроме того, на него влияют конкретные условия наблюдения, например возможность, различать малые отклонения, стабильность показаний, величина трения покоя и др.

Вариация показаний измерительного прибора - разность показаний прибора в одной и той же точке диапазона измерений при плавном подходе "справа" и подходе "слева" к этой точке. Вариация по-казаний представляет собой алгебраическую разность наибольшего и наименьшего результатов при многократном измерении одной и той же величины в неизменных условиях. Вариация характеризует нестабильность показаний измерительного прибора.

Градуировочная характеристика прибора - это зависимость между значениями величин на выходе и входе средства измерений, представленная в виде формулы, таблицы или графика. В большинстве случаев приборы градуируют так, чтобы цена деления шкалы превышала максимальную погрешность градуировки, но этот принцип действует не всегда. Таким образом, хотя между точностью и чувствительностью существует определенное соответствие, путать эти понятия не следует. Градуировочная характеристика прибора может быть использована для уточнения результатов измерения.

Вопрос 20. Структура измерительных приборов сравнения

Измерительный прибор сравнения (компаратор) - измерительный прибор, предназначенный для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно. Примерами компараторов являются: двухчашечные весы, интерференционный компаратор мер длины, мост электрического сопротивления, электроизмерительный потенциометр, фотометрическая скамья с фотометром. Компараторы для выполнения своих функций могут не хранить единицу. Такие компараторы, строго говоря, нельзя считать средствами измерений. Тем не менее, они должны обладать рядом важных метрологических свойств, прежде всего, обеспечивать небольшую случайную погрешность и высокую чувствительность измерений.

Приборы , построенные по схеме уравновешивающего преобразования (сравнения), имеют малую как аддитивную, так и мультипликативную погрешности. Применение обратной связи позволяет создать приборы, обладающие малой статической и динамической погрешностью. Эти приборы имеют большую выходную мощность, и их показания мало зависят от нагрузки.

Основные характеристики такой структуры по сравнению со схемой прямого преобразования (дейтсвия) – более низкое быстродействие из-за необходимости дополнительного времени для осуществления процесса уравновешивания, но более высокая точность за счет использования общей отрицательной обратной связи и опорных мер для срав­нения.

Рисунок выше – Структурная схема измерительного прибора уравновешивающего преобразования (сравнения)

Где ПОС-преобразователь обратной связи, остальное смотреть в 19 вопросе под рисунком.

Вопрос 21. Метрологические характеристики средств измерений

Метрологические характеристики средств измерений - это характеристики свойств, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений. Информация о назначении метрологических характеристиках приведена в документации на средства измерений

Все метрологические свойства (характеристики) можно разделить на две группы:

Свойства, определяющие область применения СИ;

Диапазон измерений - область значений величины, в пределах которых нормированы допускаемые пределы погрешности. Значение величины, ограничивающее диапазон измерений снизу или сверху (слева и справа), называют соответственно нижним или верхним пределом измерений.

Порог чувствительности - наименьшее изменение измеряемой величины, которое вызывает заметное изменение выходного сигнала.

Свойства, определяющие качество (точность результатов) измерения.

Класс точности СИ - обобщенная характеристика, выражаемая пределами допускаемых погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность. Классы точности конкретного типа СИ устанавливают в нормативных документах. При этом для каждого класса точности определяют конкретные требования к метрологическим характеристикам, в совокупности отражающим уровень точности СИ данного класса. Класс точности позволяет судить о том, в каких пределах находится погрешность измерений этого класса. Это необходимо знать при выборе СИ в зависимости от заданной точности будущих измерений.

Погрешность средства измерений - это разность между показаниями СИ и истинным (действительным)" значением измеряемой величины.

где - погрешность поверяемого СИ; - значение той же самой величины, найденное с помощью поверяемого СИ; - значение СИ, принятое за базу для сравнения, т.е. действительное значение.

по способу выражения - абсолютные, относительные ();

по характеру проявления - систематические, случайные;

по отношению к условиям применения - основные, дополнительные.

Абсолютной погрешностью или, короче, погрешностью приближенного числа называется разность между этим числом и его точным значением (из большего числа вычитается меньшее)

Относительной погрешностью приближенного числа называется отношение абсолютной погрешности приближенного числа к самому этому числу. (в процентах)

Систематическая погрешность - составляющая погрешности результата измерения, остающаяся постоянной (или же закономерно изменяющейся) при повторных измерениях одной и той же величины.

Случайная погрешность - погрешность, которая при выполнении ряда измерений одной и той же величины между отдельными результатами измерений имеются различия, которые невозможно предсказать, а какие либо присущие им закономертности проявляются лишь при значительном числе результатов.

НСХ- метрологические характеристики, нормируемые согласно настоящему стандарту, распространяются на ЧЭ ТС при подключении непосредственно к их выводам и на ТС при подключении к клеммам головки в соответствии с указанной изготовителем схемой. Если на корпусе ТС с двухпроводной схемой указано значение сопротивления внутренних проводов, то оно должно быть вычтено из значения измеренного сопротивления ТС.

Чувствительность измерительного прибора

свойство измерительного прибора, выражаемое отношениемлинейного (Δ l ) или углового (Δα) перемещения указателя по шкале прибора (сигнала на выходе прибора) квызвавшему его изменению измеряемой величины. Различают абсолютную Ч. и. п.

где Δ x - изменение измеряемой величины х , выраженное в её единицах, и относительную Ч. и. п.

Порог чувствительности измерительного прибора это такое изменение измеряемой величины, которое вызывает наименьшее изменение его показаний, обнаруживаемое при способе отсчета, нормальном для данного прибора.

Метрологические характеристики, связанные со шкалой измерительного прибора.

Диапазон показаний - область значений шкалы, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы. Наибольшее и наименьшее значения измеряемой величины, отмеченные на шкале, называют начальным и конечным значениями шкалы прибора. Например, для оптиметра типа ИКВ - 3 диапазон показаний по шкале составляет ±0,1 мм, для длиномера типа ИЗВ диапазон показаний по шкале составляет 0 - 100 мм.

Цена деления шкалы - разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Например, для оптиметра и длиномера это - 0,001 мм, а для микрометра - 0,01 мм.

Длина деления шкалы - расстояние между осями (центрами) двух соседних отметок шкалы, изме-ренное вдоль воображаемой линии, проходящей через середины малых отметок шкалы. Очевидно, чем больше длина деления шкалы, тем выше усиление и тем комфортнее воспринимается наблюдателем измерительная информация.

Класс точности измерительных устройств.

Класс точности – это обобщенная характеристика средств измерений, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также рядом других свойств, влияющих на точность осуществляемых с их помощью измерений. Классы точности регламентируются стандартами на отдельные виды средств измерения с использованием метрологических характеристик и способов их нормирования

Динамические характеристики средств измерений: переходная и импульсная характеристики.

Динамические характеристики – характеристики инерционных свойств, которые опред зависимость выходного сигнала ср измерения от меняющийся во времени величин а именно параметров входного сигнала внешних влияющих величин.Динамические свойства влияют на динамич погрешность.

Переходной характеристикой h(t) называется реакция цепи на воздействие в виде единичной ступенчатой функции 1 (t ). Импульсной характеристикой g(t) называется реакция цепи на воздействие в виде единичной импульсной функции d (t ). Обе характеристики определяются при нулевых начальных условиях.

Переходная и импульсная функции характеризуют цепь в переходном режиме, так как они являются реакциями на скачкообразные, т.е. довольно тяжелые для любой системы воздействия. Кроме того, как будет показано ниже с помощью переходной и импульсной характеристик может быть определена реакция цепи на произвольное воздействие. Переходная и импульсная характеристики связаны между собой также как связаны между собой соответствующие воздействия. Единичная импульсная функция является производной от единичной ступенчатой функции (см. (2.2)), поэтому импульсная характеристика является производной от переходной характеристики и при h (0)= 0

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способа достижения требуемой точности.

Измерение – нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств и выражение полученного результата в принятых единицах.

Признаки измерения :

Наличие физической величины

Требуется проведение опыта

Наличие средства измерения

Числовое значение физической величины

Средство измерения – такое измерительное средство, которое обладает нормированными техническими характеристиками.

Физическая величина – свойство, общее в качественном отношении для многих физических объектов, процессов или явлений, но индивидуальная в количественном отношении.

Действительное значение физической величины – значение, которое удовлетворяет в данном случае потребительским задачам.

Классификация ФВ .

Может совершать работу: активные, пассивные

Детерминированные, случайные

Аналоговые – ФВ, которая имеет бесконечное множество значений в заданном диапазоне; квантованные

Во времени: непрерывные, дискретные

Виды измерений .

По признаку получения результата :

Прямые – измерения, при которых искомое значение определяется непосредственно в ходе эксперимента

Косвенное – используется известная функциональная зависимость между результатами измеренными прямым способом и искомой ФВ

Совместные – производится одновременное измерение нескольких разноименных ФВ для нахождения зависимости между ними

Совокупные – измерения, когда происходит одновременное измерение нескольких одноименных ФВ для определения искомых значений другой ФВ

По признаку изменения во времени :

Статические – измерение значения некоторой ФВ, значение которой неизменно в течение времени использования результата

Динамические

По признаку кратности измерения :

Однократные

Многократные

По признаку точности

Равноточные – обеспечиваются неизменные условия проведения, одни и те же средства измерения

Неравноточные – различные по уровню точности средства измерения.

Информация – сведения, уменьшающие априорную неопределенность об объекте.

Сигнал измерительной информации – сигнал, параметры которого функционально связаны с измеряемой величиной.

Информационный аспект измерения: получение любого СИИ – цепочка преобразований сигналов.

.

Средство измерения – технические средства, обладающие нормированными метрологическими характеристиками.

Носителем ФВ является сигнал.

Сигнал – это физический процесс протекающий во времени.

Интегральные характеристики :

- коэффициент амплитуды

- формы

- усиления

- синусоидальный

1,1,1 – меандр

- пилообразный

Классификация средств измерения .

Меры – средства измерения, воспроизводящие ФВ заданного размера

Измерительные преобразователи – средства измерения, которые выдают СИИ в форме удобной для передачи, хранения, обработки, но неудобной для непосредственного восприятия наблюдателем. Термопара. Электрическую величину в электрическую (трансформатор). Не электрическую в электрическую. Генераторные (термопара). Параметрические (термометр сопротивления) не генерируют сигнал, для работы требуется дополнительный источник питания. Датчик – конструктивно оформленный измерительный преобразователь.

Измерительные приборы – средства измерения, вырабатывающие СИИ в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем. Аналоговые, цифровые. Выходная величина аналогового есть непрерывная функция входной величины. В зависимости от возможности сохранности результата разделяются на показывающие и регистрирующие. В зависимости от места установки выделяют стационарные и переносные.

Измерительные установки – совокупность конструктивно и функционально объединенных средств измерения и вспомогательных устройств, предназначенная для рационального построения измерительного эксперимента.

Измерительная система – совокупность конструктивно и функционально объединенных средств измерения и вспомогательных устройств, предназначенная для автоматического сбора измерительной информации от ряда объектов с последующей передачей, обработкой, хранением.

К – коммутатор

ПНК – преобразователь напряжение-код

КС – канал связи

М – модулятор

ДМ – демодулятор

Методы измерений .

В зависимости от использования меры :

Метод непосредственной оценки – в процессе измерения меры не участвуют, результат получается непосредственно на отсчетном устройстве средства измерения. Мера используется опосредованно – при изготовлении прибора.

Методы сравнения – мера непосредственно участвует в процессе измерения

Нулевой метод .

НИ – нуль индикатор

Ех – измеряемое напряжение

U0 – образцовая мера

Метод заключается в том, что разность измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой, в процессе измерения сводится к 0, что и фиксируется НИ. Результат равен значению меры. Мостовые измерительные приборы. При высокой точности меры метод позволяет получить результат измерения с высокой точностью.

Дифференциальный метод .

Разность измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой, измеряется с помощью средства измерения. Результат получается как сумма значения меры и показаний средства измерения. Данный метод позволяет получать результат измерения с высокой точностью при использовании средства измерения сравнительно невысокой точности.

Δ – абсолютная погрешность вольтметра.

Метод замещения .

Происходит поочередное измерение измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой. Значение неизвестной величины определяется по этим двум измерениям. Обладает достаточной точностью в случае, если объект измерения примерно равен мере.

Погрешности измерений .

Погрешность – количественная характеристика

Точность – качественная характеристика, отражающая близость к нулю погрешности.

Классификация.

По способу выражения :

По месту (причине) возникновения :

Методическая – из-за неадекватности принятой модели объекта измерения

Инструментальная – приборная погрешность самого средства измерения

По характеру изменения :

Систематическая – постоянна или изменяется по известному закону

Случайная – изменяется по законам случайных чисел. Для ее нахождения используются элементы теории вероятности, статистические измерения

Промахи – субъективная погрешность оператора

По способу воздействия окружающей среды на средство измерения :

Основная – возникает при нормальных условиях эксплуатации средства измерения

Дополнительная – в условиях, отличных от нормальных

По характеру изменения во времени :

Статические – возникают при измерении постоянной во времени величины

Динамические – при измерении сигнала, изменяющегося во времени

По связи с измеренной величиной :

Аддитивная – не зависит от измеряемой величины

Мультипликативная – зависит от измеряемой величины

Характеристики средств измерений .

Неметрологические – характеристики, которые не влияют на точность результата измерения (вес, размер, цвет).

Метрологические – влияют на точность (входное сопротивление, емкость, трение и т.д.)

Основные метрологические характеристики :

Номинальная статическая функция преобразования – зависимость между информационными параметрами входного и выходного сигнала. Вводится для типа средства измерения.

Действительная функция преобразования (уравнение преобразования) – реальная характеристика преобразования. В виде функциональной зависимости, таблицы входных и выходных значений, функции в координатах.

Чувствительность – отношение приращения выходной величины к вызвавшему это приращение приращения входной величины.

Порог чувствительности (разрешающая способность) – минимальное значение входной величины, которое может быть обнаружено по изменению выходной величины.

Постоянная прибора – отношение некоторого значения измеряемой величины к показанию прибора в делениях.

Цена деления – разность между соседними отметками шкалы, причем, если эта разность есть величина постоянная, то шкала равномерная.

Диапазоны показаний – разность между максимальным и минимальным значениями.

Диапазоны измерений – область на шкале средства измерения, в которой определены (заданы) метрологические характеристики – рабочий диапазон

Характеристики средства измерения, влияющие на измерительную цепь.

Погрешности средства измерения. Основная, дополнительная. Аддитивная, мультипликативная.

Нормирование погрешности средства измерения .

Класс точности средства измерения – основная интегральная метрологическая характеристика средства измерения, дающая предел основной погрешности. В некоторых случаях класс точности задает и дополнительные погрешности, и другие метрологические характеристики. Значение класса точности выбирают из некоторого числового ряда:

У электронных осциллографов класс точности отражает другую величину.

Нормирование – задание номинальной характеристики для данного типа средства измерения и допускаемых отклонений для данного результата.

Тип средства измерения – совокупность средств измерений одного и того же назначения, основанная на одном и том же принципе, имеющие одинаковую конструкцию и выполненные по одной технологической документации.

Способ нормирования погрешности средства измерения зависит от характера абсолютной погрешности данного средства.

Погрешность имеет аддитивный характер .

при равномерной шкале.

с галочкой снизу. При неравномерной шкале.

Мультипликативный характер погрешности .

в кружочке.

Смешанный характер погрешности .

Поверка – это выяснение соответствия данного средства измерения своему классу точности.

Нормирование дополнительной погрешности .

Нормирование дополнительной погрешности сводится к заданию коэффициента влияния или функции влияния.

Электромеханические приборы .

Это приборы, в которых электрическая энергия измеряемого сигнала преобразуется в механическую энергию подвижной части прибора.

Измерительная цепь – служит для преобразования электрической энергии входного сигнала в электрическую же энергию (масштабирование)

Измерительный механизм – для преобразования электрической энергии в механическую движения подвижной части.

Отсчетное устройство – для визуализации.

Классификация электромеханических приборов .

По виду измеряемой величины (ток, напряжение, сопротивление, мощность, частота, фаза)

По роду электрического сигнала

По способу создания противодействующего момента (механический – пружина, логометрический – за счет дополнительной катушки, создающей встречное магнитное поле)

По способу успокоения подвижной части (магнитно-индукционный, воздушный, жидкостный)

По типу измерительного механизма (магнито-электрический, электро-магнитный, электро-динамический, электро-статический, индукционный, ферро-динамический)

Магнито-электрические приборы.

Магнитные полюсные наконечники, неподвижный сердечник, рамка с током, противодействующая пружинка.

Поле в зазоре равномерное.

Достоинства :

Недостатки :

Низкая перегрузочная способность

Невозможность работы на переменном токе

Относительная сложность производства

Приборы на основе МЭИМ .

Амперметры.

Вольтметры.

Омметры .

Последовательная схема.

Влияние источника питания на результат измерения убирается с помощью магнитного шунта, встроенного в конструкцию ИМ, который влияет на магнитное поле для компенсации напряжения питания.

Параллельная схема.

Достоинства:

Высокая точность

Высокая надежность

Недостаток: зависимость от напряжения питания.

Возможно построение комбинированных приборов (тестеров), измеряющих одновременно напряжение, ток, сопротивление, (индуктивность, емкость). На основе МЭИМ строятся также такие высокочувствительные приборы, как гальванометры, а также приборы для измерения на переменном напряжении.

Электронные аналоговые приборы и преобразователи .

Средства измерения, в которых преобразование сигнала измерительной информации производится с помощью аналоговых электронных устройств. Выходной сигнал таких средств измерения является непрерывной функцией входного сигнала. Используются для измерения всех видов электрических сигналов: напряжение, ток, сопротивление, фаза, частота…

Электронные вольтметры – средства измерения, в которых измеряемое напряжение преобразуется в постоянный ток, который измеряется МЭИМ.

Характеристики:

Широкий диапазон измеряемых значений напряжения, от 10^-9 В на постоянном токе до 10^3 В на переменном токе.

Высокая чувствительность за счет использования входных усилителей

Большое входное сопротивление

Широкий частотный диапазон измеряемого напряжения от 0 до 10^8 Гц

Неравномерность АЧХ не должна превышать ±3 дБ относительно опорной.

Электронные вольтметры подразделяются на :

Постоянного тока

Переменного тока

Универсальные (также измеряют дополнительные величины)

Импульсные

Селективные

Электронные вольтметры постоянного напряжения .

Входной делитель, Усилитель постоянного тока, Измерительный механизм.

Обладают высокой чувствительностью.

Особенности:

При
появляется дрейф нулевого уровня.

Для увеличения чувствительности используется модулятор, демодулятор.

Функцию модулятора и демодулятора выполняют аналоговые ключи, которые управляются генератором синхронно. Позволяет получать величину коэффициента усиления до ~10^5. Зависит от полярности.

Вольтметры переменного тока .

В зависимости от преобразователя:

Амплитудных значений

Средних значений

Действующих значений

Пиковые детекторы – преобразователи в вольтметрах амплитудных значений.

Пиковый детектор с открытым входом.

Происходит подзаряд конденсатора положительной полуволной, отрицательная полуволна не пропускается диодом. Для минимизации пульсаций подбирают время заряда-разряда конденсатора

Пиковый детектор с закрытым входом.

Из-за градуировки в действующих значениях
, коэффициент амплитуды синусоидального сигнала. Если не синусоидальный сигнал, то

Вольтметры средних значений .

Усилитель переменного напряжения, преобразователь.

Увеличение входного напряжения увеличивает чувствительность и уменьшает влияние нелинейности входных диодов преобразователя (за счет перехода в область линейной зависимости)

для несинусоидального сигнала.

Для усиления сигнала используют квадратирующие устройства.

. Шкала у таких приборов квадратичная.

Универсальные вольтметры .

На основе пиковых детекторов с закрытым входом.

Постоянное напряжение: 0.1÷600В

Переменное напряжение: 1÷600В

Сопротивление: 10Ом÷100Мом

Импульсные вольтметры.

Для измерения амплитуды сигналов различной формы.

Особенности:

Шкала градуируется в амплитудных значениях. Пиковый детектор с закрытым входом.

Селективные вольтметры .

Для измерения действующих значений напряжения в некоторой полосе частот или действующего значения определенных гармоник.

Пропускает одну частоту. Действующее значение сигнала для реального вольтметра. Невысокая точность 6÷15% основная погрешность. 0.1мкВ÷1В. 10Гц÷100кГц.

Электронно-лучевой осциллограф .

Для визуального наблюдения, измерения и регистрации электрических сигналов.

Особенности:

Широкий частотный диапазон

Высокая чувствительность

Большое входное сопротивление

Электронно-лучевая трубка.

К – катод: эмиссия электронов.

А1, А2 – аноды.

А1 – фокусировка: толщина линии

А2 – ускоряющий анод.

УГО – усилитель горизонтального отклонения. УВО – вертикального.

А3 – измерение импульсных сигналов большой скважности.

Характеристики :

Чувствительность

Полоса пропускания

Длительность послесвечения – время между прекращением действия луча и моментом, когда яркость достигнет 1% от первоначальной

Рабочая площадь экрана: геометрические размеры и нелинейность отклонения луча.

Обобщенная структура осциллографа .

ВД – входной делитель – масштабирование входного сигнала

ПУ – пусковое устройство – пуск канала вертикального отклонения

ЛЗ – линия задержки – для задержки входного сигнала на некоторое время, время срабатывания ГР

ВУ – выходной усилитель – для формирования сигнала, управляющего непосредственно пластинами вертикального отклонения.

УВО – усилитель вертикального отклонения

КА – калибратор амплитуд – генератор прямоугольных импульсов с известными значениями амплитуды и частоты. Таким образом, при калибровке устанавливаются нормированные значения амплитуды и частоты, по которым осуществляется настройка коэффициентов отклонения и развертки.

КД – калибратор длительности

БС – блок синхронизации – для получения устойчивой картинки, для чего частота ГР делается переменной

ГР – генератор развертки – формирование пилообразного сигнала

УГО – усилитель горизонтального отклонения

Нормировка погрешности .

4 класса точности: 1(3%), 2(5%), 3(10%), 4(12%) – для Ко и Кд.

Эта погрешность нормируется, когда на вход осциллографа подаются нормированные сигналы (меандр или синус).

Если период наблюдаемого сигнала кратен частоте ГР, то видим стационарную картинку. Для компенсации времени сдвига используется ЛЗ.

Ждущая и автоматическая синхронизация: в режиме ждущей ГР запускается только одновременно с приходом наблюдаемого сигнала.

Закрытый вход – проходит только переменная составляющая, Открытый – постоянная тоже.

Цифровые измерительные устройства .

Это устройства, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы цифровой информации и показания представляются в цифровом виде.

Вырабатывает цифровой код в соответствии с измеряемой величиной, при этом непрерывная аналоговая величина квантуется по уровню и дискретизируется во времени.

Дискретизация во времени – преобразование, при котором значение величины отличается от 0 и совпадает с соответствующим значением измеряемой величины только в определенные моменты времени. Промежутки между этими значениями – шаг дискретизации.

Квантование по уровню – преобразование, при котором непрерывная аналоговая величина принимает фиксированные, квантованные значения. Эти значения – уровни квантования или кванты.

Важной характеристикой является правило отождествления измеряемой величины и уровней квантования.

Основные методы преобразования непрерывной величины в код .

Метод последовательного счета – обладает максимальным временем измерения, но самый дешевый.

Метод последовательного приближения – каждый следующий шаг – половина предыдущего.

Метод считывания – одновременное сравнение измеряемой величины со всеми уровнями квантования сразу. Время измерения самое маленькое, но дорогой.

Классификация ЦИУ .

По способу преобразования :

последовательного счета

последовательного приближения

считывания

По виду измеряемой величины

По способу усреднения измеряемой величины :

мгновенных значений

усредняющие (интегрирующие)

По режиму работы :

циклического действия (по жесткой программе)

следящие – отслеживают изменения квантующей величины на некоторое значение

ЦИУ=АЦП+ОУ, ЦП=ЦАП+АЦП

Основные метрологические характеристики ЦИУ.

Статические :

погрешность дискретности (квантования)

чувствительности

реализации уровней квантования

от действия помех

Погрешность дискретности .

Погрешность квантования – методическая. Систематическая – мат ожидание.

Погрешность чувствительности . Возникает в следствии неидеальности сравнивающего устройства.

Погрешность от реализации уровней квантования .

Δд – методическая; Δч, Δр – инструментальная

Если смещение уровней квантования зависит от номера уровня, то погрешность
.

Погрешность, возникающая при квантовании временного интервала. При измерении временного интервала используются квантующие импульсы известной частоты.

Погрешности от временного сдвига старт- и стоп-импульсов относительно квантующего.

Старт-импульс синхронизируют с половиной периода квантующего импульса.

Класс точности c/d.

Время-импульсный цифровой вольтметр .

Измеряемое Uxпреобразуется во временной интервалTx, который в свою очередь измеряется путем квантования импульсами стабильной частотыf0 и подсчетом этих импульсов за времяtxпреобразуется в код.

Угол наклона Ukили скорость его формирования известны.

Источник погрешностей ВИЦВ.

Динамические погрешности ЦИУ .

- динамическая погрешность первого рода, обусловлена апериодическими свойствами входной цепи.

Пусть преобразование аналоговой величины в квантованную происходит методом последовательного счета.
определяется временем преобразования.

Где М1 – модуль максимум первой производной сигнала – скорость его изменения.