Измерительного устройства
Цель работы: изучение теоретических представлений о работе измерительных устройств в статическом режиме и освоение методики экспериментального определения статической характеристики измерительного устройства.
Задание:
1. Изучить теоретические материалы к лабораторной работе.
2. Экспериментальным путем определить статическую характе-ристику измерительного устройства.
3. Приписать измерительному устройству абсолютную погрешность и вариацию.
4. Составить отчет по лабораторной работе.
Теоретические основы работы
Измерительное устройство принято рассматривать как некоторый преобразователь, служащий для преобразования входного сигнала X в выходной Y. При статических измерениях значения входного и выходного сигналов средств измерений не изменяются во времени.
Статической характеристикой измерительного устройства называют функциональную зависимость выходного сигнала от входного в статическом режиме работы указанного устройства. В общем случае режим работы измерительного устройства, при котором значения входного X и выходного Y сигналов не изменяются, называют статическим [5]. Статическая характеристика описывается в общем случае некоторым нелинейным уравнением
. (2.1)
Для измерительных преобразователей и измерительных приборов с неименованной шкалой или со шкалой, отградуированной в единицах, отличных от единиц измеряемой величины, статическую характеристику принято называть функцией преобразования. Для измерительных приборов иногда статическую характеристику называют характеристикой шкалы.
Градуировочная характеристика – статическая характеристика, составленная в виде таблицы, графика или формулы.
На рис. 2.5 изображены виды статических характеристик изме-рительных устройств. Основное требование к статической характеристике измерительных устройств, за исключением специальных случаев, сводится к получению линейной зависимости между выходной и входной величинами. На практике это требование реализуется с некоторой принятой заранее погрешностью.
Кроме статической характеристики для определения метроло-гических свойств измерительных устройств используется ряд параметров.
На рис. 2.6 представлена шкала измерительного прибора, имеющего линейную статическую характеристику.
Следует различать диапазон показаний и диапазон измерений.
Диапазон показаний – область значений шкалы, ограниченная конечным и начальным значениями шкалы.
Начальное значение шкалы – наименьшее значение измеряемой величины, указанное на шкале прибора.
Конечное значение шкалы – наибольшее значение измеряемой величины, указанное на шкале прибора.
Диапазон измерений (рабочая часть шкалы) – область значений измеряемой величины (на шкале прибора), для которой нормированы допускаемые погрешности средств измерений.
|
Рис. 2.6. Шкала измерительного устройства
Верхний предел измерений – наибольшее значение диапазона измерений.
Нижний предел измерений – наименьшее значение диапазона измерений.
В частном случае указанные диапазоны могут совпадать.
Для количественной оценки влияния на выходной сигнал измерительного устройства входного сигнала в произвольной точке (см. рис. 2.3) статической характеристики служит предел отношения приращения ΔY выходного сигнала к приращению ΔX входного сигнала, когда последнее стремится к нулю, то есть производная в выбранной точке
при 
. (2.2)
Применительно к измерительным приборам этот параметр называют чувствительностью и определяют как отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины. Графически чувствительность определяется как тангенс угла наклона a касательной (см. рис. 2.3), проведенной в выбранной точке А статической характеристики.
Приборы с линейной (см. рис. 2.3, прямая 2) и пропорциональной (см. рис. 2.3, прямая 3) статической характеристиками имеют неизменную в любой точке шкалы чувствительность и равномерную шкалу. А приборы с нелинейной статической характеристикой (см. рис. 2.3, кривая 1) будут иметь чувствительность, различную в разных точках характеристики, а шкала прибора являтся неравномерной.
Средняя чувствительность – отношение диапазона измерений выходного сигнала (Yв – Yн) к диапазону измерений входного сигнала (Xв – Xн):
. (2.3)
Для большинства измерительных преобразователей функция преобразования линейна (см. рис. 2.3, прямая 2), то есть
, (2.4)
где К – коэффициент преобразования.
Коэффициент преобразования – отношение приращения DY сигнала на выходе измерительного преобразователя к вызвавшему его приращению DX входного сигнала:
. (2.5)
Если значения Yн и Xн равны нулю, тогда функция преобразования имеет вид
. (2.6)
Для измерительных приборов важным параметром является цена деления, определяемая как разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Физически цена деления определяется количеством единиц входной величины, содержащихся в одном делении шкалы измерительного прибора:
, (2.7)
где Хвз – верхнее значение шкалы; Хнз – нижнее значение шкалы; n – число делений шкалы.
Порог чувствительности (порога реагирования) измерительного устройства – наименьшее изменение входного сигнала, которое вызывает уверенно фиксируемое изменение выходного сигнала.
Для измерительных устройств принято различать номинальную и реальную функции преобразования.
Номинальной (или идеальной) функцией преобразования называют функцию преобразования, которая приписана измерительному устройству данного типа, указана в его паспорте и используется при выполнении с его помощью измерений.
Реальной функцией преобразования называют функцию преобразования, которой обладает конкретный экземпляр измерительного устройства данного типа.
Из-за несовершенства конструкции и технологии изготовления реальная функция преобразования измерительного устройства отличается от номинальной. Это отличие и определяет погрешность данного измери-тельного устройства. Отклонения реальной характеристики от номи- нальной различны и зависят от значения измеряемой величины.
По этому признаку погрешности принято разделять на аддитивные, мультипликативные, линейности и гистерезиса.
Аддитивной погрешностью, или погрешностью нуля измерительных устройств, называют погрешность, которая остается постоянной при всех значениях измеряемой величины.
Если аддитивная погрешность является систематической, то она может быть устранена. Для этого в измерительных устройствах обычно имеется специальный настроечный узел (корректор) нулевого значения выходного сигнала.
Если аддитивная погрешность является случайной, то ее нельзя исключить, а реальная функция преобразования смещается по отношению к номинальной во времени произвольным образом. При этом для реальной функции преобразования можно определить некоторую полосу (рис. 2.7а), ширина которой остается постоянной при всех значениях измеряемой величины.
Возникновение случайной аддитивной погрешности обычно вызвано трением в опорах, контактными сопротивлениями, дрейфом нуля, шумом и фоном измерительного устройства.
Дрейф нуля измерительного устройства – медленное изменение значения выходного сигнала при нулевом значении входного сигнала. Дрейф нуля связан с нестабильностью элементов измерительного устройства.
Шум – случайные колебания, которые присутствуют в выходном сигнале измерительного устройства.
Причинами шума являются молекулярные, электронные, ионные и другие процессы в лампах, транзисторах, резисторах, детекторах заряженных частиц и молекул и других элементах измерительных устройств.
Фон – периодические колебания, которые присутствуют в выходном сигнале измерительного устройства.
Рис. 2.7. Погрешности измерительных устройств:
а – аддитивная; б – мультипликативная;
в – линейности; г – гистерезиса
Причиной фона часто является наличие электромагнитной или электростатической связи узлов измерительного устройства с общегородской сетью, являющейся источником питания.
Мультипликативной, или погрешностью чувствительности измерительных устройств, называют погрешность, которая линейно возрастает (или убывает) с увеличением измеряемой величины.
Если мультипликативная погрешность является случайной, то реальная функция преобразования представляется полосой, показанной на рис. 2.7б. Причиной возникновения мультипликативной погрешности обычно является изменение коэффициентов преобразования отдельных элементов и узлов измерительных устройств.
На рис. 2.7в показано взаимное расположение номинальной и реальной функций преобразования измерительного устройства в случае, когда отличие этих функций вызвано нелинейными эффектами. Если номинальная функция преобразования линейная, то вызванную таким расположением реальной функции преобразования систематическую погрешность называют погрешностью линейности. Причинами данной погрешности могут быть конструкция измерительного устройства и нелинейные искажения функции преобразования, связанные с несовершенством технологии производства.
Погрешность гистерезиса, или погрешность обратного хода, выражающаяся в несовпадении реальной функции преобразования измерительного устройства при увеличении (прямой ход) и уменьшении (обратный ход) измеряемой величины (см. рис. 2.7г).
Причины гистерезиса: люфт и сухое трение в механических передающих элементах, гистерезисный эффект в ферромагнитных материалах, внутреннее трение в материалах пружин, явление упругого последействия в упругих чувствительных элементах, явление поляризации в электрических, пьезоэлектрических и электрохимических элементах и др.
Для количественной оценки погрешности гистерезиса обратимся к рис. 2.8, где показаны реальная и номинальная функции преобразования измерительного устройства. Под действием влияющих величин реальная функция преобразования изменяет свое расположение и форму по отношению к номинальной.
|
На рис. 2.8 для примера показаны два расположения реальной функции преобразо-вания, нанесенные сплошной и пунктирной линиями. При нормальных условиях эксплу-атации измерительного устрой-ства все изменения формы реальной функции преобразо-вания не выходят за пределы заштрихованных полос как для верхней, так и для нижней ее ветвей. Если влияющие вели-чины, вызывающие изменения положения и формы функции преобразования, при измерении не выявляются, то рассматриваемое явление определяется как невоспроизводимость и характеризует случайную погрешность измерительного устройства. При этом используют понятия «размах» и «вариация».
Размахом R выходного сигнала измерительного преобразователя (показаний измерительного прибора) называют разность между наибольшим и наименьшим значениями выходного сигнала, соответствующими одному и тому же значению измеряемой величины и полученными при многократном и одностороннем подходе к этому значению, то есть при постепенном увеличении или уменьшении измеряемой величины (только при прямом или обратном ходе).
Вариацией W выходного сигнала измерительного преобразователя (показаний измерительного прибора) называют среднюю разность между значениями выходного сигнала, соответствующими одному и тому же значению измеряемой величины, полученными при многократном и двустороннем подходе к этому значению, то есть при постепенном увеличении и последующем уменьшении измеряемой величины (иначе говоря, при прямом и обратном ходе):
. (2.8)
В процессе разработки, испытаний и отработки технологии производства измерительных устройств определяется ширина петлеобразной функции преобразования для каждого типоразмера измерительного устройства. После этого по согласованию с метрологическими организациями для данного устройства определяется абсолютная погрешность ±Δ.
В данном случае абсолютная погрешность представляет собой разность значений реальной и номинальной функций преобразования, модуль которой в 1,5–2,0 раза больше половины значения максимальной вариации. За эту полосу при нормальных условиях эксплуатации не должна «выходить» реальная функция преобразования исправного измерительного устройства. Максимальное полученное при исследованиях значение вариации принимается в качестве характеристики погрешности гистерезиса для данного измерительного устройства.
Описание лабораторного стенда
Лабораторный стенд (рис. 2.9) содержит:
щиток 1 электропитания стенда с автоматами;
калибратор «00С», состоящий из пропорционально-интегрально-дифференцирующего (ПИД) регулятора 2, нагревателя 3, оснащенного полостями для установки датчиков температуры, и пульта управления 4 с кнопкой «СЕТЬ» и тумблером;
калибратор «2500С», состоящий из ПИД регулятора 5, нагревателя 6, оснащенного полостями для установки датчиков температуры, и пульта управления 7 с кнопкой «СЕТЬ» и тумблером;
двухканальный измеритель МИТ 2.05М 8 и панель 9 для подключения датчиков к 1-му и 2-му каналам измерителя;
ноутбук 10 и соединительный шнур 11.
При помощи термометра сопротивления типа ТС-Pt100 12 измеряется температура калибратора. Для снятия статической характеристики используется термометр сопротивления типа ТС-50П 13.
Стенд подключается к электрической сети с помощью вилки 14.
|
Рис. 2.9. Схема лабораторного стенда
Порядок выполнения работы
Сущность экспериментальных исследований состоит в определении реальной статической характеристики термометра сопротивления.
1. C помощью вилки 14 подключить стенд к электрической сети.
2. Автоматы щитка 1 электропитания стенда установить в положение «Вкл.».
3. Подключить ноутбук 10 к стенду при помощи шнура 11 и двух USB-кабелей и включить его.
4. Включить питание ПИД регулятора 5 калибратора «2500С» кнопкой «СЕТЬ» на пульте управления 7 и установить на регуляторе 5 при помощи кнопок значение уставки для калибратора «2500С», равное 2500С (значение высвечивается зеленым цветом).
5. Включить ПИД регулятор 5 при помощи тумблера на пульте управления 6, начав тем самым разогрев калибратора «2500С».
6. Включить питание ПИД регулятора 2 калибратора «00С» кнопкой «СЕТЬ» на пульте управления 4 и установить на регуляторе 2 при помощи кнопок значение уставки для калибратора «00С», равное 00С (значение высвечивается зеленым цветом).
7. Включить ПИД регулятор 2 при помощи тумблера на пульте управления 4, начав тем самым охлаждение калибратора «00С».
8. Включить питание измерителя 8, удерживая 1–2 секунды кнопку включения на его панели 9.
9. Подключить термометр сопротивления ТС-Pt100 12 ко входу 1-го канала измерителя 8, соблюдая цвета вилок и гнезд.
10. Подключить термометр сопротивления ТС-50П 13 ко входу 2-го канала измерителя 8, соблюдая цвета вилок и гнезд.
11. На ноутбуке установить режимы измерителя 8. Для этого необходимо совершить следующие действия:
11.1. Запустить на ноутбуке 10 программу «МИТ 2.05.exe», ярлык которой находится на «Рабочем столе». Если программа не обнаружит подключенный измеритель, нажать значок «Обновить список доступных приборов».
11.2. Открыть «Настройки» и во вкладке «Каналы» настроить оба канала измерителя 8 в соответствии с подключенными датчиками и измеряемыми величинами.
Канал 1:
состояние – «ВКЛ»;
тип измерения – ТС;
НСХ – Pt100.
Канал 2:
состояние – «ВКЛ»;
тип измерения – Ом.
11.3. Передать эти настройки в измеритель 8 при помощи кнопки 
и закрыть окно.
12. Включить мышкой режим «Считывание»: программа начнет считывание результатов измерений температуры и сопротивления и вывод графиков на экран.
13. Термометры сопротивления ТС-Pt100 12 и ТС-50П 13 установить в полости нагревателя 3 калибратора «00С».
14. Дождаться по каналу 1 показаний на ноутбуке, равных 00С.
15. Перенести термометры сопротивления из полостей калибратора «00С» в полости нагревателя 6 калибратора «2500С».
16. Дождаться на ноутбуке по каналу 1 показаний, равных 2500С. Зафиксировать прямой ход.
17. Отключить питание нагревателя «2500С» тумблером и кнопкой «СЕТЬ» на пульте управления 7.
18. Перенести термометры сопротивления из полостей калибратора «2500С» обратно в полости нагревателя 3 калибратора «00С».
19. Дождаться на ноутбуке по каналу 1 показаний, равных «00С». Зафиксировать обратный ход.
20. Отключить питание нагревателя «00С» тумблером и кнопкой «СЕТЬ» на пульте управления 4.
21. При достижении значения температуры, близкого к нулю, сохранить результаты на ноутбуке в файл в виде таблицы Microsoft Excel (рис. 2.10). Выбрать пункт «Сохранение/считывание результатов измерений в/из файла»).
Рис. 2.10. Способы сохранения файла
22. Используя графики с результатами эксперимента и справочные материалы, заполнить табл. 2.2.
Таблица 2.2
Дата: 2019-11-01, просмотров: 281.
