КАФЕДРА «АВТОМАТИКА, ЭЛЕКТРОНИКА И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА»
А.А. Силаев, Е.Ю. Силаева
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Электронные методические указания
Волгоград
2014 г.
УДК
Рецензенты
Доцент «ВАЭ и ВТ», канд. техн. наук А.Г. Бурцев
Издается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета
Силаев А.А., Физические основы измерений [Электронный ресурс]: методические указания / А.А. Силаев, Е.Ю. Силаева//Сборник «Методические указания» Выпуск 3.-Электрон. текстовые дан.(1файл:746Kb) – Волжский: ВПИ (филиал) ВолгГТУ,2014.-Систем.требования:Windows 95 и выше; ПК с процессором 486+; CD-ROM.
Рассмотрены классификация металлов в промышленности, а также их основные физические и химические свойства. Приведены основные методы получения металлов и их особенности.
Предназначены для студентов бакалавриата, обучающихся по направлениям: «Автоматизация технологических процессов и производств».
| Ó Волгоградский государственный технический университет, 2014 Ó Волжский политехнический институт, 2014 |
Содержание
Введение. 3
1. Измерение. Характеристика измерений. Классификация измерений. 4
1.1 Характеристики измерений. 4
1.2 Классификация измерений. 5
2. Обзор погрешностей измерений. 6
2.1 Порядок устранения случайной погрешности. 9
2.2 Методы обнаружения систематической погрешности. 14
3. Средства измерений. Классификация средств измерений. 20
3.1 Электромеханические измерительные приборы. Принцип действия. 21
3.1.1 Магнитоэлектрический измерительный прибор. 22
3.1.2 Электромагнитный измерительный прибор. 23
3.1.3 Электродинамический измерительный прибор. 24
3.2 Схемы включения измерительных приборов. 25
3.2.1 Схема включения амперметра. 25
3.2.1 Схема включения вольтметра. 26
3.3 Методическая погрешность измерения вольтметром.. 27
3.4 Методическая погрешность измерения амперметром.. 28
3.5 Мостовые цепи. 35
3.6 Цифровые приборы.. 36
3.6.1 Цифровой вольтметр. 36
3.6.1.1 Время-импульсные преобразователи. 36
3.6.1.2 Преобразователи поразрядного кодирования. 38
3.7 Датчики. 39
Список литературы.. 41
Введение
Физические основы измерений – это предмет, в котором изучают общие принципы и методы измерений физических величин, основанные на конкретных физических явлениях и законах, а также изучают источники погрешностей измерений и методы повышения точности измерений.
В рамках изучения предмета студенты должны овладеть навыками решения практических задач, связанных с проведением измерений.
Дисциплина «Физические основы измерений» изучается при подготовке инженеров-бакалавров по направлению 220700.62 «Автоматизация технологических процессов и производств» Для успешного освоения дисциплины необходимо изучить такие общепрофессиональные дисциплины как «Физика», «Математика» и «Химия».
Дисциплина «Физические основы измерений» является базовой дисциплиной для таких специальных учебных дисциплин как «Технические измерений и приборы» и «Средства автоматизации и управления».
Характеристики измерений
К основным характеристикам измерений можно отнести следующие понятия.
Принцип измерений – физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений. (Например: изменение сопротивления материалов от температуры, возникновение ЭДС в проводнике в движущемся магнитном поле).
Метод измерений – совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Например: метод сравнения с мерой применяется на рычажковых весах.
Средствами измерений – являются используемые технические средства, имеющие нормированные метрологические свойства, предназначенные для измерения одной и той же физической величины. Например: амперметр, вольтметр.
Правильность измерения – это характеристика измерений, отражающая близость к нулю систематических погрешностей результатов.
Достоверность измерений – характеризует доверие к результатам измерений и делит их на две категории: достоверные и недостоверные, в зависимости от того, известны или неизвестны вероятностные характеристики их отклонений от истинных значений соответствующих величин.
Воспроизводимость измерений характеризует близость к нулю случайной погрешности при повторных измерениях одной и той же величины в одинаковых условиях одним и тем же методом.
Сходимость измерений – характеризует близость друг к другу результатов измерений, выполненных в различных условиях, различными методами, на различных типах приборов.
Классификация измерений
Рассмотрим обобщённую классификацию измерений.
По способу получения результатов измерений их разделяют на:
Прямые – это измерения, при которых значение физической величины находят непосредственно из опытных данных.
При прямых измерениях измеряемую величину сравнивают непосредственно с мерой или же находят с помощью измерительных приборов.
Косвенные – это измерения, при которых неизвестную величину определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, полученными прямым измерениям, т.е. измеряют не собственно определяемую величину, а другие, функционально с ней связанные.
Совокупные – это производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых неизвестную величину определяют решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Например, определение номинальных масс отдельных гирь по образцовой массе какой-либо гири.
Совместные – это производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимостей между ними. Например, определение коэффициентов, связывающих зависимость сопротивления полупроводниковых материалов от температуры.
По условиям, определяющим точность результатов измерений, измерения делятся на три класса:
Измерения максимально возможной точности (эталонные), достижимой при существующем уровне техники.
Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторого заданного значения.
Технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений.
По типу измеряемой величины:
Электрические – измерения производятся с помощью различных средств - измерительных приборов, схем и специальных устройств.
Физико-химические – это все измерения, связанные с контролем состава веществ, материалов и изделий.
Магнитные – измерения характеристик магнитного поля или магнитных свойств веществ.
Решение задачи.
Класс точности прибора это его приведённая погрешность. Следовательно, максимальная абсолютная погрешность выражается из формулы 
. 
.
Для того чтобы оценить точность измерений необходимо найти относительную погрешность для указанных напряжений, при условии, что абсолютную погрешность мы нашли предыдущим действием:
.
.
Таким образом, при 500 измерении 500 вольт точность получается больше.
Задача 2. Определить соответствует ли амперметр с пределом измерения на 5Ампер с классом точности 1,5 своему классу точности. Если при проведении его поверки образцовым амперметром были получены следующие показания:
| I,A | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| I0,A | 1,05 | 1,94 | 3,05 | 3,96 | 5,06 |
Решение задачи.
Для того чтобы определить соответствует ли амперметр своему классу точности необходимо определить приведённую погрешность прибора и если она меньше класса точности прибора, то прибор соответствует своему классу точности.
Абсолютная погрешность это разность между показаниями испытуемого прибора и образцового. Из таблицы видно, что максимальная абсолютная погрешность будет равна 
.
Тогда приведённая погрешность будет находиться следующим образом:
. Таким образом, приведённая погрешность меньше класса точности прибора, а значит, прибор соответствует своему классу точности.
Задача 3. Определить какой из двух приборов измеряет ток 200мкА точнее РА1 = класс точности 0,2 предел 300мкА.
РА2 = класс точности 0,1 предел 1мА.
Решение задачи.
Необходимо для каждого прибора рассчитать относительную погрешность для измерения указанного в условии тока. Для этого необходимо рассчитать максимальную абсолютную погрешность для каждого из приборов через формулу для приведённой погрешности.
.
.
.
Далее найдёт для каждого прибора относительную погрешность:
.
.
Таким образом, первый прибор измеряет точнее.
Схема включения амперметра
Так как напрямую через измерительный прибор можно пропускать только небольшой ток, то его необходимо запараллелить шунтовым сопротивлением чтобы ограничить ток проходящий через прибор. Таким образом, параллельно измерительному прибору подключается шунтовое сопротивление, которое должно быть меньше сопротивления прибора. Таким образом, общий ток проходит через цепь равен сумме токов: 
.
где Iu – ток цепи прибора, Iш – ток проходит через шунтовое сопротивление.
Рисунок 5
Известно, что при параллельном соединение сопротивлений общее напряжение остаётся одинаковым, а через меньшее сопротивление проходит наибольший ток:
, отсюда выразим 
,
где 
коэффициент деления, называемый также множителем.
Таким образом, на базе существующего прибора можно изготовить любой прибор с увеличенным диапазоном измерений.
Схема включения вольтметра
С помощью измерительного механизма напрямую измерять напряжения больших величин нельзя, то последовательно измерительному механизму подключают добавочное сопротивление, которое «гасит лишнее напряжение» (см. рисунок 6). Таким образом необходимо рассчитывать добавочное сопротивления для изготовления вольтметров для измерения нужных значений напряжения.
Рисунок 6
Известно, что при последовательном сопротивлении ток является одинаковым для всех участков цепи: 
. А общее напряжение является суммой напряжений на отдельных участках 
. Отсюда можно рассчитать добавочное сопротивление, если известно сопротивление механизма и пределы напряжения для механизма и изготавливаемого прибора: 
,
где 
коэффициент расширения предела измерения или множитель шкалы.
Задача 1. На базе магнитоэлектрического микроамперметра на 100мкА с сопротивлением рамки 500Ом изготовить амперметр на 1 Ампер.
Решение. Необходимо рассчитать шунтовое сопротивление для этого воспользуемся формулой: 
, где . Подставим численные выражения в формулу: 
.
Задача 2. На базе магнитоэлектрического микроамперметра на 100мкА с сопротивлением рамки 500Ом изготовить вольтметр на 10 Вольт.
Решение. Необходимо рассчитать добавочное сопротивление для этого воспользуемся формулой: , где 
. Подставим численные выражения в формулу: 
.
Мостовые цепи
Измерительный мост — устройство для измерения электрического сопротивления.
Принцип измерения основан на взаимной компенсации сопротивлений двух звеньев, одно из которых включает измеряемое сопротивление. В качестве индикатора обычно используется микроамперметр, показания которого должны быть равны нулю в момент равновесия моста.
Рисунок 7
На схеме R 1 , R 2 , R 3 , Rx – плечи моста, AD – диагональ питания, CB – измерительная диагональ. Rx представляет собой неизвестное сопротивление; R 1 , R 2 и R 3 – известные сопротивления, причём значение R 2 может регулироваться. Если отношение сопротивлений R 1 / R 2 равно отношению сопротивлений Rx / R 3, то разность потенциалов между двумя средними точками будет равна нулю, и ток между ними не будет протекать. Сопротивление R 2 регулируется до получения равновесия, а направление протекания тока показывает, в какую сторону нужно регулировать R 2.
С помощью микроамперметра момент равновесия можно установить с большой точностью, и если сопротивления R 1 , R 2 и R 3 имеют маленькую погрешность, то Rx может быть измерено очень точно, ведь даже небольшие изменения Rx вызывают заметное нарушение баланса всего моста.
Таким образом, если мост сбалансирован (ток через микроамперметр), то измеряемое сопротивление находится по формуле
.
Цифровые приборы
В настоящее время развитие вычислительной технике привело к использованию цифровых измерительных средств для измерения различных физических величин.
Рассмотрим принципы работы цифрового прибора на примере цифрового вольтметра.
Цифровой вольтметр
В основу работы цифрового вольтметра входит аналого-цифровой преобразователь – измерительное устройство, предназначенное для преобразования аналогового сигнала в пропорциональный ему цифровой код. Далее цифровой код может сохраняться в памяти или выводиться на цифровой экран. При этом погрешность цифрового вольтметра это единица младшего разряда.
Существует различные реализации АЦП рассмотрим две из них:
время-импульсные преобразователи;
преобразователи поразрядного кодирования.
Датчики
Мы рассмотрели примеры цифровых приборов на примере цифровых вольтметров. Таким образом, можно измерять любую электрическую величину. Но для неэлектрических величин необходимо преобразовать неэлектрическую величину в электрическую, а затем аналоговый электрический сигнал измерить цифровым вольтметром. При этом измеренное напряжение будет пропорционально измеряемой неэлектрической величине.
Преобразователи неэлектрических величин в электрическую величину называются датчиками.
Основные виды датчиков:
Реостатные преобразователи. Работают на изменении сопротивления реостата, движок которого перемещается под воздействием измеряемой неэлектрической величины.
Проволочные преобразователи (тензосопротивления). Их работа основана на изменении сопротивления проволоки при ее деформации.
Термопреобразователи (терморезисторы, термосопротивления, термопары). В них изменяется сопротивление датчика под воздействием температуры, или основаны на возникновении термо ЭДС и ее зависимости от температуры.
Индуктивные преобразователи. В них при изменении положения разъемных частей магнитопровода (например, под действием силы, давления, линейного перемещения) меняется индуктивность катушки.
Емкостные преобразователи. Могут быть использованы в качестве датчиков перемещения, влажности, химсостава воздуха и др.
Фотоэлектрические преобразователи. В них измерительный прибор реагирует на изменение освещенности, температура, перемещения и др.
Индукционные преобразователи. Работают на принципе преобразования неэлектрической величины (например, скорости, ускорения) в индуктированную ЭДС.
Пьезоэлектрические преобразователи. Работают на принципе возникновения ЭДС при воздействии усилий на кристаллы некоторых материалов.
В зависимости от принципа действия датчики можно разделить на две большие группы: датчики параметрические и датчики генераторные.
Датчики параметрической группы характеризуются тем, что измеряемая неэлектрическая величина преобразуется в параметр электрической цепи: сопротивление, индуктивность, взаимную индуктивность, емкость. Для обеспечения нормальной работоспособности таких датчиков необходимы вспомогательные источники электрической энергии.
Генераторные датчики характеризуются тем, что в них осуществляется преобразование различных видов энергии в электрическую (генерирование электрической энергии под воздействием измеряемой неэлектрической величины).
По виду входных (измеряемых) величин датчики обычно разделяют на следующие группы:
1. Датчики перемещений.
2. Датчики усилий.
3. Датчики момента вращения.
4. Датчики размеров.
5. Датчики уровня.
6. Датчики скорости.
7. Датчики ускорения.
8. Датчики параметров вибраций.
9. Датчики давления и расхода.
10. Датчики температуры.
11. Датчики влажности.
12. Датчики для анализа состава вещества.
В пределах каждой группы возможно и дальнейшее разделение датчиков. Например, можно различать датчики линейного и углового перемещения, датчики высоких и низких температур и т.д.
Список литературы
1. Шевчук В. П., Капля В. И., Желтоногов А. П., Лясин Д. Н. Метрология интеллектуальных измерительных систем. под ред. Академика метрологической академии России, профессора Шевчука В.П. - Волгоград: ВолгГТУ, 2005. - 210 c.
2. Архипов А.В., Берновский Ю.Н., Зекунов А.Г., Зубков Ю.П., Мишин В.М., Новиков В.А., Панов В.П. Основы стандартизации, метрологии и сертификации: учебник для студентов вузов, обучающихся по направлениям стандартизации, сертификации и метрологии (200400), экономики (080100) и управления (080500). под ред. Мишина В.М. - Москва: ЮНИТИ-ДАНА, 2007. - 447 с.
4. Никифоров А.Д., Бакиев Т.А. Метрология, стандартизация и сертификация 3-е изд., испр. - Москва: Высшая школа, 2005. - 422 с.
5. Схиртладзе А.Г., Радкевич Я.М. Метрология, стандартизация и сертификация. - Старый Оскол: ТНТ, 2010. - 540 с.
6. Сигов А.С., Нефедов В.И. Метрология, стандартизация и технические измерения Учебник для вузов. под ред. Сигова А.С. - Москва: Дашков и К, 2008. - 624 с.
Учебное пособие
Алексей Александрович Силаев
Елена Юрьевна Силаева
Физические основы измерений
Методические указания
План электронных изданий 2014 г. Поз. № 16В
Подписано на « Выпуск в свет» 20.06.14. Уч-изд. л. 1,08.
На магнитоносителе.
Волгоградский государственный технический университет.
400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, корп. 1.
КАФЕДРА «АВТОМАТИКА, ЭЛЕКТРОНИКА И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА»
А.А. Силаев, Е.Ю. Силаева
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Электронные методические указания
Волгоград
2014 г.
УДК
Рецензенты
Доцент «ВАЭ и ВТ», канд. техн. наук А.Г. Бурцев
Издается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета
Силаев А.А., Физические основы измерений [Электронный ресурс]: методические указания / А.А. Силаев, Е.Ю. Силаева//Сборник «Методические указания» Выпуск 3.-Электрон. текстовые дан.(1файл:746Kb) – Волжский: ВПИ (филиал) ВолгГТУ,2014.-Систем.требования:Windows 95 и выше; ПК с процессором 486+; CD-ROM.
Рассмотрены классификация металлов в промышленности, а также их основные физические и химические свойства. Приведены основные методы получения металлов и их особенности.
Предназначены для студентов бакалавриата, обучающихся по направлениям: «Автоматизация технологических процессов и производств».
| Ó Волгоградский государственный технический университет, 2014 Ó Волжский политехнический институт, 2014 |
Содержание
Введение. 3
1. Измерение. Характеристика измерений. Классификация измерений. 4
1.1 Характеристики измерений. 4
1.2 Классификация измерений. 5
2. Обзор погрешностей измерений. 6
2.1 Порядок устранения случайной погрешности. 9
2.2 Методы обнаружения систематической погрешности. 14
3. Средства измерений. Классификация средств измерений. 20
3.1 Электромеханические измерительные приборы. Принцип действия. 21
3.1.1 Магнитоэлектрический измерительный прибор. 22
3.1.2 Электромагнитный измерительный прибор. 23
3.1.3 Электродинамический измерительный прибор. 24
3.2 Схемы включения измерительных приборов. 25
3.2.1 Схема включения амперметра. 25
3.2.1 Схема включения вольтметра. 26
3.3 Методическая погрешность измерения вольтметром.. 27
3.4 Методическая погрешность измерения амперметром.. 28
3.5 Мостовые цепи. 35
3.6 Цифровые приборы.. 36
3.6.1 Цифровой вольтметр. 36
3.6.1.1 Время-импульсные преобразователи. 36
3.6.1.2 Преобразователи поразрядного кодирования. 38
3.7 Датчики. 39
Список литературы.. 41
Введение
Физические основы измерений – это предмет, в котором изучают общие принципы и методы измерений физических величин, основанные на конкретных физических явлениях и законах, а также изучают источники погрешностей измерений и методы повышения точности измерений.
В рамках изучения предмета студенты должны овладеть навыками решения практических задач, связанных с проведением измерений.
Дисциплина «Физические основы измерений» изучается при подготовке инженеров-бакалавров по направлению 220700.62 «Автоматизация технологических процессов и производств» Для успешного освоения дисциплины необходимо изучить такие общепрофессиональные дисциплины как «Физика», «Математика» и «Химия».
Дисциплина «Физические основы измерений» является базовой дисциплиной для таких специальных учебных дисциплин как «Технические измерений и приборы» и «Средства автоматизации и управления».
Дата: 2019-02-19, просмотров: 311.
