Вопрос 1 Средства измерения и меры

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Вопрос 1 Средства измерения и меры

Для практического измерения единицы величины применяются технические средства, которые имеют нормированные погрешности и называются средствами измерений.

К средствам измерений относятся: меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и системы, измерительные принадлежности.

Мерой называют средство измерения, предназначенное для воспроизведения физических величин заданного размера. К данному виду средств измерений относятся гири, концевые меры длины и т.п. На практике используют однозначные и многозначные меры, а также наборы и магазины мер. Однозначные меры воспроизводят величины только одного размера (гиря). Многозначные меры воспроизводят несколько размеров физической величины. Например, миллиметровая линейка дает возможность выразить длину предмета в сантиметрах и в миллиметрах.

Наборы и магазины представляют собой объединение (сочетание) однозначных или многозначных мер для получения возможности воспроизведения некоторых промежуточных или суммарных значений величины.

Набор мер представляет собой комплект однородных мер разного размера, что дает возможность применять их в нужных сочетаниях. Например, набор лабораторных гирь.

Магазин мер — сочетания мер, объединенных конструктивно в одно механическое целое, в котором предусмотрена возможность посредством ручных или автоматизированных переключателей, связанных с отсчетным устройством, соединять составляющие магазин меры в нужном сочетании. По такому принципу устроены магазины электрических сопротивлений.

К однозначным мерам относят стандартные образцы и стандартные вещества.

Стандартный образец — это должным образом оформленная проба вещества (материала), которая подвергается метрологической аттестации с целью установления количественного значения определенной характеристики. Эта характеристика (или свойство) является величиной с известным значением при установленных условиях внешней среды. К подобным образцам относятся, например, наборы минералов с конкретными значениями твердости (шкала Мооса) для определения этого параметра у различных минералов.

Стандартным образцом является образец чистого цинка, который служит для воспроизведения температуры 419,527 °С по международной температурной шкале МТШ-90.

При пользовании мерами следует учитывать номинальное и действительное значения мер, а также погрешность меры и ее разряд. Номинальнымназывают значение меры, указанное на ней.

Действительное значение меры должно быть указано в специальном свидетельстве как результат высокоточного измерения с использованием официального эталона.

Разность между номинальным и действительным значениями называется погрешностью меры. Величина, противоположная по знаку погрешности, представляет собой поправку к указанному на мере номинальному значению. Поскольку при аттестации (поверке) также могут быть погрешности, меры подразделяют на разряды (1-го, 2-го и т.д. разрядов) и называют разрядными эталонами (образцовые измерительные средства), которые используют для поверки измерительных средств. Величина погрешности меры служит основой для разделения мер на классы, что обычно применимо к мерам, употребляемым для технических измерений.

Вопрос 2 Методы измерений

Прямые измерения, являясь самостоятельными и наиболее распространенными, в то же время служат основой для более сложных видов измерений (косвенных, совокупных и совместных). В связи с этим методы прямых измерений являются общими для всех видов измерений и в дальнейшим будут называться просто методами измерений.

С учетом того, что метод измерений представляет собой совокупность приемов использования принципов и средств измерений, различают два метода измерений:

· метод непосредственной оценки;

· метод сравнения с мерой (мера-средство измерений, предназначенная для воспроизведения физической величины заданного размера).

Классификационным признаком в таком разделении методов является наличие или отсутствие при измерениях меры.

Метод непосредственной оценки (отсчета) – метод измерения, в котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия (прибор прямого действия – измерительный прибор, в котором сигнал измерительной информации движется в одном направлении, а именно с входа на выход).

Метод сравнения с мерой – метод измерения, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Методы сравнения в зависимости от наличия или отсутствия при сравнении разности между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, подразделяют на нулевой и дифференциальный.

Нулевой метод – это метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля (прибор сравнения, или компаратор, - измерительный прибор, предназначенный для сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно).

Дифференциальный метод – это метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор воздействует разность между измеряемой величиной и известной, воспроизводимой мерой.

Как в нулевом, так и в дифференциальном методе могут быть выделены методы противопоставления, замещения и совпадения.

Метод противопоставления – метод сравнения с мерой, в котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами.

Метод замещения – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой.

Метод совпадения – метод сравнения с мерой, в котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов.

Для пояснения сущности приведенных определений обратимся к примерам реализации методов измерений.

М етод непосредственной оценки с отчетом показаний по шкале прибора характеризуется тем, что лицу, осуществляющему измерение, не требуется каких либо вычислений, кроме умножения показаний прибора на некоторую постоянную величину, соответствующему данному прибору. Примером данного метода измерений может служить взвешивание груза X на пружинных весах (рис.1). Масса груза здесь определяется на основе измерительного преобразования по значению δ деформации пружины.

Процесс измерения по методу непосредственной оценки характеризуется быстротой, что делает его часто незаметным для практического использования. Однако точность измерения обычно оказывается невысокой из-за воздействия влияющих величин и необходимости градуировки шкал приборов.

Нулевой метод измерения характеризуется равенством воздействий, оказываемых измеряемой величиной и мерой, на прибор, используемый для сравнения. Различают нулевые методы противопоставления, замещения и совпадения. Первые два из этих методов иногда называют соответственно методами полного противопоставления и полного замещения

Примером нулевого метода противопоставления может служить взвешивание груза X на равноплечных весах (рис.2), когда масса груза определяется массой гирь, уравновешивающих воздействие груза на рычаг весов. Состояние равновесия определяется по положению указателя нуль-индикатора, который в этом случае должен находиться на нулевой отметке.

В есы при таком измерении выполняют функцию компаратора. Данный метод используется для измерения самых разнообразных физических величин и, как правило, обеспечивает большую точность измерения, чем метод непосредственной оценки, за счет уменьшения влияния на результат измерения погрешностей средства измерений, которое в данном случае осуществляют только сравнение воздействий, создаваемых измеряемой величиной и мерой.

Недостатком данного метода является необходимость иметь большое число мер, различных значений (т.е. необходимость воспроизводить любое значение известной физической величины без существенного понижения точности). Как правило, это связано с существенными трудностями.

Разновидностью рассмотренного метода является компенсационный метод измерений, применяемый в тех случаях, когда важно измерить физическую величину, не нарушая процесса, в котором она наблюдается. При подключении измерительного устройства, реализующего компенсационный метод, к объекту измерения на этом устройстве создается действие, направленное на встречу действию, создаваемому изучаемым явлением.

П ри этом создаваемое в измерительном устройстве явление изменяется до тех пор, пока не будет достигнута полная компенсация действия изучаемого явления на измерительное устройство. По размеру физической величины, создающей компенсирующее явление, судят о размере измеряемой физической величины. При условии полной компенсации изучаемое явление протекает в объекте так же, как оно протекает в случае, когда к объекту не подключено измерительное устройство.

Нулевой метод замещения состоит в том, что измеряемая физическая величина и мера последовательно воздействует на измерительный прибор. При этом значение меры подбирают таким, чтобы ее воздействие на измерительный прибор было равно воздействию измеряемой физической величины. На рис. 3 показан пример реализации метода полного замещения для случая измерения массы груза. Здесь на пружинные весы устанавливают груз X и делают отметку A на шкале как результат его взвешивания. При этом показания пружинных весов принципиально можно и не считывать. Затем снимают груз. На чашку устанавливают такой набор гирь, который обеспечивает такую же деформацию пружины, как и груз X. О равенстве деформаций судят по установке стрелки напротив отметки A. Нулевой метод замещения применяется в тех случаях, когда производятся точные измерения параметров, т.к. он позволяет практически исключить влияние изменений характеристик используемого средства измерений (в рассматриваемом случае – изменение характеристик пружины) на результаты измерения.

Нулевой метод совпадения состоит в совпадении сигналов двух периодических процессов, характеристика одного из которых изменяется, а другого – используется в качестве меры. Например, измерение числа оборотов вала с помощью стробоскопа – вал периодически освещается вспышками света, и частоту вспышек подбирают так, чтобы метка, нанесенная на вал, казалась наблюдателю неподвижной.

Дифференциальный метод измерений характеризуется тем, что с помощью измерительного прибора методом непосредственной оценки измеряется разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой. Этот метод позволяет получить высокоточные результаты даже при использовании для измерения указанной разности относительно грубых средств измерений. Реализация дифференциального метода возможна только при условии наличия высокоточной меры, близкой по значению к измеряемой величине.

Р азличают дифференциальные методы противопоставления, замещения и совпадения.

Первые два из них иногда называют методами неполного противопоставления и неполного замещения.

Примером метода неполного противопоставления может служить взвешивание на равноплечих весах, показанных на рис. 4.

З десь действие грузаX уравновешивается действием гири, служащей мерой, и силой упругой деформации пружины. По существу в данном случае по величине деформации пружины, значение которой может быть отсчитано по шкале, измеряется разность воздействия груза и гири на пружину. Так определяют разность их масс. Массу же груза определяют после взвешивания как сумму массы гири и показаний, считанных по шкале.

Сущность дифференциального метода замещения можно уяснить, рассмотрев пример (рис. 5) взвешивания груза X на пружинных весах в том случае, когда из имеющегося набора гирь не удается составить сочетание, позволяющее добиться такого показания весов, при котором стрелка устанавливается на отметку А, соответствующею показанию весов при установке на них измеряемого груза X. Предположим, что при установке на весы подобранного набора гирь стрелка весов устанавливается на отметке шкалы В. Когда к подобранному набору добавляются гири с наименьшей массой, стрелка устанавливается на отметке шкалы С. В данном случае замещение получается неполным. Для определения массы груза прибегают к интерполяции, с помощью которой по известному значению массы наименьшей гири и числу делений шкалы между отметками В и Срассчитывают значение массы груза и массы подобранного набора гирь, а затем определяют массу груза.

Сущность дифференциального метода совпадения состоит в том, что совпадение сигналов двух периодических процессов является неполным. При этом изменяется характеристика периодического процесса, представляющею собой результат взаимодействия названных выше двух периодических процессов. Результат измерения определяется так же, как во всех дифференциальных методах.

Фотоэлектрическая

Индукционная: с механической противодействующей силой

Без механической противодействующей силы

6. На шкалу электроизмерительного прибора наносят также обозначения класса точности прибора, испытательного напряжения изоляции, рабочего положения прибора и т. д. (табл. 9.2).

Рабочее положение шкалы горизонтальное
Рабочее положение шкалы вертикальное
Рабочее положение шкалы наклонное, под углом 60° к горизонту
Измерительная цепь изолирована от корпуса и испытана напряжением 3 кВ
Осторожно! Прочность изоляции измерительной цепи по отношению к корпусу не соответствует нормам (знак выполняете красным цветом)
Защита от внешних магнитных полей 3 мТл
Защита от внешних электрических полей 10 кВ/м
Направление ориентировки прибора в магнитном поле Земли
Прибор класса точности 0,5	0.5

Рисунок 1

Достоинства приборов магнитоэлектрической системы: высокая чувствительность, большая точность, относительно небольшое влияние внешних магнитных полей, малое потребление энергии, малое влияние температуры, равномерность шкалы.

Недостатки: работает только в цепи постоянного тока, чувствителен к перегрузкам, высокая стоимость, обусловленная сложностью конструкции.

Электроизмерительные приборы магнитоэлектрической системы предназначаются для измерения силы тока и напряжения в качестве амперметров и вольтметров. Магнитоэлектрический прибор является составной частью омметра, с помощью которого непосредственно измеряют электрическое сопротивление.

Применяя термопреобразователи и выпрямители, магнитоэлектрические приборы используют для измерений в цепях переменного тока.

Почти все технические измерения в цепях постоянного тока осуществляются приборами данной системы. Лишь в немногих случаях, когда значение имеет не точность, а дешевизна и надежность приборов, постоянный ток измеряется электроизмерительными приборами электромагнитной системы.

Рисунок 2

Достоинства приборов электромагнитной системы: пригодность для работы в цепях постоянного и переменного токов, простота и надежность конструкции, дешевизна, устойчивость к перегрузкам.

Недостатки: чувствительность к внешним магнитным полям, сравнительно большая потребляемая мощность, относительно низкие чувствительность и точность.

Область применения: в качестве амперметров и вольтметров для технических измерений.

В лабораторных приборах высокого класса точности для уменьшения влияния внешних магнитных полей применяют экранирование.

Виды ИВК

По назначению ИВК делятся на типовые, проблемные и специализированные. Типовые комплексы предназначены для решения широкого круга типовых задач автоматизации измерений, испытаний или исследований независимо от области применения. Проблемные комплексы разрабатываются для решения специфичной для конкретной области применения задачи автоматизации измерений. Специализированные ИВК предназначены для решения уникальных задач автоматизации измерений, для которых разработка типовых и специализированных комплексов экономически нецелесообразна.

Основными составными частями комплекса являются (рис. 7.15):

компьютер с периферийными устройствами, подключенными к нему, в том числе и посредством компьютерной сети;
програмное обеспечение, представляющее собой совокупность взаимосвязанных программ, написанных на алгоритмических языках разного уровня;
интерфейс, организующий связь технических устройств ИВК с компьютером;
формирователь испытательных сигналов, которыми воздействуют на объект измерения с целью получения измерительных сигналов. Каждый такой сигнал (например, на рис. 11..19 это i-й сигнал) вырабатывается с помощью последовательно соединенных ЦАП; и преобразователя "напряжение - испытательный сигнал" (ПНИС;);
измерительные каналы (ИК), предназначенные для преобразования в цифровой код заданного числа сигналов (К - для первого ИК и L - для N-ro ИК). Структура ИК существенно зависит от решаемой задачи. Однако практически в любом случае каждый из них содержит аналоговый измерительный (АИП) и аналого-цифровой (АЦП) преобразователи. При обработке нескольких измерительных сигналов одним АЦП в состав комплекса включается коммутатор, предназначенный для поочередного подключения сигналов к входу АЦП. Коммутатор может включаться как после АИП (ИК1на рис. 11.19), так и перед ним (ИК N на рис. 7.15).

АИП предназначен для преобразования измерительного сигнала в сигнал, однородный с входным сигналом АЦП (т.е. в напряжение), и масштабирования (усиления или ослабления) его до уровня, необходимого для проведения операции аналого-цифрового преобразования с минимальной погрешностью. При наличии нескольких измерительных сигналов (К сигналов в ИК1 на рис. 7.15) АИП состоит из К независимых последовательно соединенных первичных преобразователей и управляемых компьютером масштабируемых усилителей. Если же измерительные сигналы являются однородными физическими величинами и могут быть поочередно выбраны (скоммутированы), то в ИК целесообразно использовать только один АИП (рис. 7.15 - ИК N). Он последовательно во времени проводит преобразование измерительного сигнала и последующее его масштабирование.

Рис. 7.15. Структурная схема измерительно-вычислительного комплекса

АЦП преобразует сигнал в цифровой код и передает его через интерфейс в компьютер. Работой всей аппаратной части ИВК управляет компьютер. Это осуществляется посредством:

подачи управляющих сигналов различного рода;
считывания и передачи по требуемым адресам цифровой информации (сигналы "Данные" и "Адрес" на рис. 7.15). Под "Адресом" понимается уникальный цифровой код, присвоенный конкретному блоку ИВК или его части и позволяющий компьютеру через интерфейс однозначно идентифицировать данное устройство.

По команде оператора выбирается тот или иной режим работы ИВК из числа реализованных в программном обеспечении. Компьютер рассчитывает цифровой код, описывающий заданное изменение во времени каждого из М испытательных сигналов, и в виде двоичного цифрового кода записывает в оперативные запоминающие устройства формирователя испытательных сигналов (на рис. 7.15 не показаны). Оттуда эти коды последовательно во времени циклически поступают на вход каждого из ЦАП. Формируемые на их выходах напряжения с помощью ПНИС преобразуются в требуемые физические величины, воздействующие на объект измерения.

Измерительные сигналы, представляющие собой отклик объекта измерения на испытательные воздействия, преобразуются в измерительных каналах в двоичный цифровой код и учитываются компьютером. Полученные коды обрабатываются по заданным алгоритмам, в результате получается искомая измерительная информация.

Каждый ИВК - это сложное техническое устройство, поэтому содержит средства диагностики его состоянии

Методы сравнения.

Компенсационный метод (метод противопоставления) обеспечивает высокую точность измерения. Это метод сравнения с мерой. Средства измерений, использующие метод сравнения, называются компенсаторами или потенциометрами.

Принцип действия компенсатора основан на уравновешивании (компенсации) измеряемого напряжения известным падением напряжения на образцовом резисторе. Момент полной компенсации фиксируется по показаниям нуль-индикатора.

Дифференциальный метод основан на измерении разности между измеряемым и известным напряжением при их неполной компенсации. Схема измерения представлена на рис. 11.3.

Высокоомный электронный вольтметр V1 с чувствительным пределом служит для измерения разностного напряжения между измеряемым U_x и известным U_к напряжениями. Аналоговый магнитоэлектрический или цифровой вольтметр V2 используется для измерения напряжения U_к . Рекомендуется при U_к =0 измерить вольтметром V1 ориентировочное значение U_x , а уж затем установить по вольтметру V2 удобное для отсчета напряжение U_к . Измеряемое напряжение U_x при указанной полярности включения вольтметра V1 определяется как U_x = U_к + DU.

При измерении напряжений в высокоомных цепях входное сопротивление магнитоэлектрических и электронных вольтметров может быть недостаточно большим. Дифференциальный метод измерения позволяет увеличить входное сопротивление схемы до необходимых значений, которые определяются из следующей формулы:

Чем < , тем> .

Дифференциальный метод обеспечивает высокую точность измерения напряжения. Погрешность измерения определяется в основном погрешностью вольтметра, измеряющего U_к .

Для измерения малых постоянных напряжений (порядка 10^-8 В) используют гальванометрические компенсаторы.

Измерение постоянного тока.

Прямое измерение тока. Амперметр включается последовательно в разрыв исследуемой цепи.

Последовательное включение амперметра с внутренним сопротивлением R_A в цепь с источником ЭДС Е и сопротивлением R (сопротивление нагрузки и источника) приводит к возрастанию общего сопротивления и уменьшению протекающего в цепи тока. Относительная погрешность d _I измерения тока I_x определяется как

где I – действительное значение тока в цепи до включения амперметра; I_x - измеренное значение тока в цепи R.

Отношение сопротивлений можно заменить отношением мощностей Р_А и Р потребления соответственно амперметра и самой цепи:

d_I = - (Р_А / P) / (1+ Р_А / P).

Погрешность измерения тем меньше, чем меньше мощность потребления амперметра Р_А по сравнению с мощностью потребления цепи Р, в которой осуществляется измерение. Поэтому амперметр, включаемый последовательно в цепь измерения, должен обладать малым сопротивлением, т.е. R_A0.

Диапазон значений постоянных токов, с измерением которых приходится встречаться в различных областях, чрезвычайно велик (от токов 10^-17 А до десятков и сотен тысяч ампер). Поэтому, естественно, методы и средства измерения их различны.

Измерение постоянного тока можно выполнить любым измерителем постоянного тока: аналоговыми магнитоэлектрическими, электродинамическими; аналоговыми и цифровыми электронными амперметрами. При необходимости измерения весьма малых токов, значительно меньших тока полного отклонения I_и магнитоэлектрического измерителя, этот измеритель принимают совместно с УПТ.

Токи 10^-9–10^-6А можно измерить непосредственно с помощью высокочувствительных магнитоэлектрических зеркальных гальванометров и гальванометрических компенсаторов.

Косвенное измерение тока.

Кроме прямого измерения тока амперметрами возможно косвенное измерение токов с помощью резисторов с известным сопротивлением R₀, включаемых в разрыв цепи, и высокочувствительных измерителей напряжения. Измеряемый ток определяется как I_x = U₀/ R₀, где U₀ –падение напряжения на резисторе R₀, измеренное вольтметром либо компенсатором постоянного тока.

Для получения минимальных погрешностей измерения тока сопротивление резистора R₀ должно быть много меньше сопротивления цепи, в которой измеряется ток.

Косвенный способ реализован в электронных аналоговых и цифровых измерителях тока.

Измерение напряжения и тока промышленной частоты .

Измерение напряжения и тока промышленной частоты можно выполнить любыми вольтметрами и амперметрами, работающими на частоте 50 Гц. Когда объект измерения мощный, то измерения выполняют электромагнитными и электродинамическими вольтметрами и амперметрами.

Для измерения напряжений промышленной частоты в таких цепях, в которых включение обычного прибора непосредственной оценки может нарушить режим этой цепи вследствие потребления мощности и тем самым исказить результаты измерений, применяют компенсаторы переменного тока. Чтобы уравновесить измеряемое напряжение компенсирующим напряжением , необходимо выполнение следующих условий: равенство напряжений U_x и U_к по модулю; противоположность их фаз (j_х - j_к = 180^о); равенство частот; одинаковая форма измеряемого и компенсирующего напряжений. Компенсаторы переменного тока менее точны по сравнению с компенсаторами постоянного тока.

Измерение тока и напряжения в трехфазных системах.

В трехфазных системах ток и напряжение измеряют теми же приборами, что и в однофазных. В симметричной трехфазной системе для контроля линейных токов и напряжений можно использовать один амперметр или вольтметр. В несимметричных системах для контроля линейных напряжений часто применяют один вольтметр с переключателем.

При измерении линейных токов в трехпроводных системах и для изоляции приборов от высоковольтных участков цепи применяют схему с двумя трансформаторами тока

При измерении фазных токов в трехфазных системах для преобразования токов и разделения цепей высокого и низкого напряжений используют три трансформатора тока. Для подключения вольтметров при измерении фазных напряжений в таких системах применяют также три трансформатора напряжения.

Компенсационный метод

Замер основан на использовании уже готовых конструкций метрологических приборов высокого класса точности, выпускаемых промышленностью.

При этом способе тоже используется установка основного и вспомогательного электродов в почву.

Их разносят по длине около 10÷20 метров и заглубляют на одной линии, захватывающей испытываемый контур заземления. К шине заземлительного устройства подключают измерительный зонд, стараясь разместить прибор поближе к контакту шины. Соединительными проводниками соединяют клеммы прибора с установленными в землю электродами.