Характеристики измерительных приборов

Характеристики измерительных приборов. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ. Основные понятия. Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Измерение – процесс, заключающийся в определении значения физической величины с помощью специальных технических средств. Погрешность измерений — отклонение результата измерения от истинного значения физической величины. Точность измерений — отражает близость результатов измерения к истинному значению измеряемой величины. Измерительные приборы — средства измерения, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме удобной для восприятия наблюдателя. Поверка средств измерений — определение метрологическим органом погрешности средств измерений и установление его пригодности к применению.

Средства измерения представлены в виде структурной схемы: Мера — средства измерений предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера с определенной точностью. Существуют однозначные и многозначные меры, а также наборы и магазины мер. Измерительные преобразователи — предназначены для выработки сигнала измерительной информации в форме удобной для передачи дальнейшего преобразования, обработки или хранения, но не поддающиеся восприятию наблюдателя.(пульты управления) Измерительные преобразователи могут быть энергетическими (не требуют постороннего источника энергии) и параметрическими (требуют постороннего источник энергии) Различают преобразователи непрерывной величины в дискретную, первичные, передающие, масштабные, выходные, обратные, сравнения с одной или несколькими величинами. К измерительным преобразователям относятся делители напряжения и тока, добавочные резисторы, шунты, измерительные трансформаторы, выпрямители, усилители. Измерительные установки — совокупность функционально объединенных средств измерений предназначенных для выработки, сигналов в удобной форме для наблюдателя. Измерительные информационные системы (ИИС) — совокупность средств измерения и вспомогательных устройств, соединяющихся между собой каналами связей, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации в форме удобной для автоматической обработки и передачи. ИИС бывают измерительные, диагностические и автоматического контроля. Виды измерений: Прямые измерения — измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. Косвенные измерения — измерения, при которых искомое значение физической величины находят на основании математической зависимости между искомой величиной и величинами аргументами, полученными при прямых измерениях. Совместные и совокупные измерения близки по способу нахождения искомых значений величин (в обоих случаях они находятся решением уравнений) и коэффициентов, в которых отдельные члены получены в результате прямых измерений. Отличие состоит в том, что при совокупных измерениях одновременно измеряется несколько одноименных величин, а при совместных- разноименных. Обычные измерения — измерения, выполняемые с однократным наблюдением. Статистические измерения — измерения с многократным наблюдением. Статические измерения — измерения, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени в процессе измерения. Динамические измерения — измерения, при которых измеряемая величина изменяется в процессе измерения. Метод непосредственной оценки заключается в непосредственном определении значения физической величины по отчетному устройству измерительного устройства заранее проградуированного в значениях измеряемой величины. Основные методы измерения: Метод сравнения с мерой заключается в определении искомой определяемой физической величины сравнением с величиной воспроизводимой мерой. Дифференциальный метод основан на измерении разности между искомой величиной и истинным значением. Он применяется при измерении параметров цепи. Нулевой метод — частный случай дифференциального метода, при котором результирующий эффект воздействия измеряемой физической величины и известной величины, воспроизводимой мерой на прибор сравнения, доводят до нуля. Метод замещений — метод, при котором измеряемая величина замещается известной величиной, воспроизводимой мерой равной по значению замещенной. Метод противопоставлений — метод, при котором измеряемая величина и известная величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнений, с помощью показаний которого устанавливают соотношения между ними. Методика измерений — детально намеченный порядок процесса измерений, регламентирующие методы, средства, алгоритмы выполнения измерений, которые в определенных условиях обеспечивают измерения с заданной точностью. Алгоритм измерений — точное предписание о выполнении в определенном порядке совокупности операций, обеспечивающих измерения значений физической величины. Приборам у которых пределы допускаемых основных погрешностей задаются относительной основной или приведенной погрешностей, присваивают согласно ГОСТ классы точности, выбираемые из следующего ряда : 1*10 п ; где. Погрешность прибора, в зависимости от значения входной величины, можно представить в виде аддитивной ( ) и мультипликативной погрешности ( ): Аддитивная погрешность (погрешность нуля) — погрешность, не зависящая от чувствительности прибора и постоянная для всех значений входной величины в пределах диапазона измерений. Мультипликативная погрешность (погрешность чувствительности) — погрешность, которая изменяется пропорционально текущему значению входной величины — относительной погрешности чувствительное. Относительные погрешности прибора: В зависимости от времени поведения измеряемой величины в процессе измерения определяются статические и динамические погрешности. Статические погрешности — это погрешности, возникающие при измерении постоянной во времени величины. Динамическая погрешность — это разность между погрешностью прибора вдинамическом режиме и его статической погрешностью соответствующей значению величины в данный момент времени. Она зависит как от свойств прибора, так и от характера изменения измеряемой величины во времени (если время установления показаний прибора больше времени интервала измеряемой величины, то возникает динамическая погрешность). Подключение измерительных приборов к участку цепи не должно нарушать энергетического баланса в измеряемой цепи. Быстродействие — это время затраченное на одно измерение. Для аналоговых приборов быстродействие определяется временем установления показаний. Для цифровых приборов оно определяется отношением количества измерений за промежуток времени в отношении к этому промежутку: Надежность — способность прибора сохранять эксплуатационные параметры в установленных пределах в течении заданного времени. Основные критерии надежности: 1. Вероятность безотказной работы в течении заданного времени. 2. Интенсивность отказов. 3. Время безотказной работы. Оценка надежности производится в процессе разработки прибора. Характеристики измерительных приборов. Основными характеристиками являются: 1. Уравнения преобразования (градуировочная характеристика). 3. Порог чувствительности. 4. Диапазон измерений. 5. Область рабочих частот. 6. Статический и динамические погрешности. 7. Собственная мощность потребляемая прибором. Градуировочная характеристика отражает функциональную зависимость между выходным сигналом и входным . Чувствительность характеризует способность прибора реагировать на изменения входного сигнала, отражает зависимость по выражению: Порог чувствительности отражает изменения входного сигнала, вызывающего наименьшие изменения выходного сигнала, которые могут быть обнаружены наблюдателем с помощью данного прибора без дополнительных устройств. Диапазон измерений — это область значений измеряемого сигнала для которой нормированы допускаемые погрешности. Область рабочих частот — полоса частот, в пределах которой погрешность прибора, вызванная изменением частоты, не превышает допускаемого предела. По способу выражения различают абсолютную, относительную, приведенную, основную и дополнительную погрешности самого прибора. Абсолютная погрешность прибора ( ) отражает разность между показаниями прибора и истинным значением измеряемой физической величиной. Эта погрешность взятая с обратным знаком называется поправкой ( ). Относительная погрешность ( ) отражает отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины и выражается в процентах. Относительная погрешность обычно существенно изменяется вдоль шкалы прибора. С уменьшением значения измеряемой величины- увеличивается. Приведенная погрешность ( )- отношение абсолютной погрешности прибора к нормированному значению и выражается в процентах. Дополнительная погрешность прибора — погрешность вызываемая действием отдельных влияющих величин вследствие отклонения их от нормальных. Класс точности — обобщенная характеристика определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей. Он характеризует свойства приборов в отношении точности измерений, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью этих приборов. 2 АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ. 2 .1 Общие сведения. В аналоговых электромеханических измерительных приборах непосредственной оценки электромагнитная энергия, подведенная к прибору непосредственно из измеряемой цепи, преобразуется в механическую энергию углового перемещения подвижной части относительно неподвижной. Электромеханические измерительные приборы (ЭИП) применяет для измерения тока, напряжения, мощности, частоты, фазовых сдвигов, сопротивлений и других электрических величин на по­стоянном и переменном токе преимущественно промышленной ча­стоты 50 Гц. Эти приборы относят к приборам прямого преобразо­вания. Они состоят из электрического преобразователя (измери­тельной цепи), электромеханического преобразователя (измеритель­ного механизма), отсчетного устройства (рис. 2.1). Рисунок 2.1 – Схема электромеханического аналогового измерительного прибора. Измерительная цепь прибора обеспечивает преобразование элект­рической измеряемой величины X в некоторую промежуточную электрическую величину Y (ток или напряжение), функционально связанную с измеряемой величиной X. Величина Y непосредственно воздействует на измерительный механизм ИМ. В зависимости от характера преобразо­вания измерительная цепь может представлять собой совокуп­ность преобразовательных элементов (резисторов, конденсаторов, выпрямителей, термопар и др.). Различные измерительные цепи позволяют использовать один и тот же измерительный механизм при измерениях разнородных величин, напряжения, тока, сопротивления, меняющихся в широ­ких пределах. Измерительный механизм , являясь основной частью конструк­ции прибора, преобразует электромагнитную энергию в механическую энергию, необходимую для угла отклонения α его подвиж­ной части относительно неподвижной, т. е. (Х). Подвижная часть измерительного механизма ИМ представляет собой механическую систему с одной степенью свободы относительно оси вращения. Дифференциальное уравнение моментов, описывающее работу ИМ, имеет вид: т. е. момент количества движения равен сумме моментов, действую­щих на подвижную часть. В (2.1) J — момент инерции подвижной части ИМ; α — угол отклонения подвижной части; /dt — угловое ускорение. На подвижную часть измерительного механизма при ее движении воздействуют: вращающий момент М, определяемый для всех ЭИП скоростью изменения энергии электромагнитного поля , сосредоточенной в механизме, по углу отклонения α подвижной части. Вращающий момент является некоторой функцией измеряемой величины X, а следовательно, Y (тока, напряжения, произведения токов) и α : противодействующий момент , создаваемый механическим путем с помощью спиральных пружин, растяжек, подводящих проводов и пропорциональный углу отклонения а подвижной части. где W — удельный противодействующий момент на единицу угла закручивания пружины (зависит от материала пружины и ее гео­метрических размеров); момент успокоения , т. е. момент сил сопротивления движе­нию, всегда направленный навстречу движению и пропорциональ­ный угловой скорости отклонения: где Р — коэффициент успокоения (демпфирования). После подстановки (2.2) — (2.4) в (2.1) получают дифференци­альное уравнение отклонения подвижной части механизма: Установившееся отклонение подвижной части механизма определяется равенством вращающего и противодействующего моментов, т. е. , что бывает, когда два первых члена левой части, дифференциального уравнения (2.6) равны нулю. Подстановкой в равенство аналитических выражений моментов получают уравнение шкалы прибора, показывающее зависимость угла отклонения α подвижной части от значения измеряемой величины и параметров измерительного механизма. В зависимости от способа преобразования электромагнитной энергии, в механическое угловое перемещение подвижной части измерительного механизма приборы делят на магнитоэлектрические, электродинамические, ферродинамические, электромагнитные, элек­тростатические и др. Отсчетное устройство аналоговых электромеханических прибо­ров чаще всего состоит из указателя, жестко связанного с подвиж­ной частью измерительного механизма, и неподвижной шкалы. Шкала представляет собой совокупность отметок, которые распо­ложены вдоль какой-либо линии и изображают ряд последователь­ных чисел, соответствующих значениям измеряемой величины. От­метки имеют вид штрихов, черточек, точек и т. п. Указатели бы­вают стрелочные (механические) и световые. По начертанию шкалы бывают прямолинейные (гори­зонтальные или вертикальные), дуговые (при дуге до 180° включи­тельно) и круговые (при дуге более 180°). По характеру расположения отметок раз­личают шкалы равномерные и неравномерные, односторонние отно­сительно нуля, двусторонние и безнулевые. Шкалы градуируются либо в единицах измеряемой величины (именованная шкала), либо в делениях (неименованная шкала). Числовое значение измеряемой величины равно произведению числа делений прочитанных по шкале, на цену (постоянную) при­бора. Цена деления — значение измеряемой величины, соответствую­щее одному делению шкалы. Поскольку электромеханические измерительные приборы яв­ляются приборами прямого преобразования, чувствительность при­бора Sп в целом определяется чувствительностью цепи Sц и чувст­вительностью измерительного механизма Sи: Классы точности аналоговых, электромеханических измеритель­ных приборов следующие: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; .1 0; 1,5; 2,5; 4,0. Узлы и детали измерительных приборов . Для большинства электромеханических измерительных приборов (ЭИП), несмотря на разнообразие измерительных механизмов, можно выделить общие узлы и детали — устройства для установки подвижной части измерительного механизма, создания противодействующего момента, уравновешивания; успокоители; арретир; корректор и др. Так как любой измерительный механизм электромеханического прибора состоит из подвижной и неподвижной частей, то для обес­печения свободного перемещения подвижной части последнюю уста­навливают на опорах (рисунок 2.2, а), растяжках (рисунок 2.2, б), подвесе (рис. 2.2, в). Рисунок 2.2 – Установка подвижной части измерительного механизма. При установке подвижной части измерительного механизма на опорах последние пред­ставляют собой легкую алюминиевую трубку, в которую запрессовывают керны (стальные отрезки). Концы кернов затачивают и шлифуют на конус с закруглением. Опираются керны на агатовые или корундовые подпятники. При установке подвижной части измерительного механизма на кернах между керном и подпятником возникает трение, что вносит погрешность в показания прибора. В приборах высокого класса точности (лабораторных) для умень­шения трения шкала устанавливается горизонтально, а ось вер­тикально. При этом нагрузка сосредоточена в основном на нижней опоре. Установка подвижной части измеритель­ного механизма на растяжках наиболее распрост­ранена в приборах. Растяжки представляют собой две тонкие ленты из бронзового сплава, на ко­торых подвешивается подвиж­ная часть измерительного ме­ханизма. Их наличие обеспе­чивает отсутствие трения в опорах, облегчает подвижную систему, повышает вибро­устойчивость. Растяжки ис­пользуются также для подве­дения тока к обмотке рамки и создания противодействую­щего момента. Установку под­вижной части изме­рительного меха­низма на подвесе используют в особо чувствительных приборах. Подвижную часть, измерительного механизма подвешивают на тонкой металлической (иногда кварцевой) нити. Ток в рамку подвижной части подводят через нить подвеса и специальный безмоментный токоподвод из золота или серебра. При транспортировке подвижную часть измерительного меха­низма закрепляют неподвижно с помощью арретира. Противодействующий момент в измерительном механизме с установкой подвижной части на опорах (рисунок 2.3) создается одной или двумя плоскими спиральными пружинами 5, 6,выполненными из оловянно-цинковой бронзы. Пружины используются также и в качестве токоподводов к обмотке рамки подвижной части. Одним концом пружина крепится к оси или полуоси, а другим — к поводку 4 корректора. Корректор служит для установки на нуль стрелки невключенного прибора; состоит из винта 9 с эксцентрично расположенным пальцем 8, вилки 7 с поводком. Винт 9 корректора выводится на переднюю, панель корпуса прибора, вращаясь, он движет вилку 7, что вызывает закручивание пружины и соответственно перемещение стрелки 3. Ось 2 заканчивается кернами, опирающимися на подпятники 1. Рисунок 2.3 — Общие детали подвижной части измерительного механизма на опорах. Для уравновешивания подвижной части служат грузики противовесы 10. Измерительный механизм считается уравновешенным, когда центр тяжести подвижной части совпадает с осью вращения. Хорошо уравновешенный измеритель­ный механизм показывает при различных положениях одно и то же значение измеряемой величины. Для создания необходимого успокоения измерительные механизмы снабжают успокоителями, развивающими момент направленный на­встречу движению (время успокоения не более 4 с). В измерительных механиз­мах наиболее часто приме­няются магнитоиндукционные и воздушные успокои­тели и реже жидкостные (когда требуется очень большое успокоение). Магнитоиндукционный успокоитель (рис. 2.4, а) состоит из постоянного магнита 1 алюминиевого диска 2, жестко связанного с подвижной частью механизма и свободно перемещающегося в поле постоянного магнита. Успокоение создается за счет взаимодейст­вия токов, индуктированных в диске при его перемещении в маг­нитном поле постоянного магнита с потоком этого же магнита. Рисунок 2.4 – Типы успокоителей. Воздушный успокоитель (рис. 2.4, б) представляет собой камеру 1 , в которой перемещается легкое алюминиевое крыло (или поршенек) 2 , жестко связанное с подвижной частью измерительного механизма. При перемещении воздуха из одной части камеры в другую через зазор (между камерой и крылом) тормозится движение крыла и колебания подвижной части быстро затухают. Воздушные успокоители слабее магнитоиндукционных . 2.2 Магнитоэлектрические измерительные приборы. Измерительные механизмы. Работа магнитоэлектрических измерительных механизмов основана на принципе взаимодействия катушки с током и магнитного потока постоянного магнита. Один из взаимодействующих элементов — подвижный (катушка (рамка) с током или постоянный магнит). Наиболее распространены измерительные механизмы с подвиж­ной рамкой. По конструкции магнитной системы различают механизмы с внеш­ним (рис. 2.5) и внутрирамочным магнитом. Первый состоит из внешнего магнита 1 из магнитотвердого мате­риала, магнитопровода 3 и цилиндрического сердечника 6 из магнитомягкого материала. В воздушном зазоре между полюсными наконечни­ками магнита и подвиж­ным цилиндрическим сердечником создается практически равномер­ное радиальное магнит­ное поле. В воздушном зазоре помещается рам­ка 5 из тонкого изоли­рованного медного про­вода, намотанного на легкий бумажный или алюминиевый каркас прямоугольной фор­мы. К рамке с двух сторон приклеивают алюминиевые буксы, в которых закрепляют полуоси или растяжки. Рамка может пово­рачиваться вместе с осью и стрелкой 2 вокруг цилиндрического сер­дечника. Измеряемый ток I пропускают в обмотку рамки через две спиральные пружины 7, создающие также противодействующий момент. Для уравновешивания подвижной части служат, противо­весы-грузики 4. Алюминиевая стрелка и шкала образуют отсчетное устройство. Рисунок 2.5 – Устройство магнитоэлектрического измерительного механизма. При протекании по обмотке рамки постоянного тока I на ак­тивные стороны обмотки рамки действует пара сил, создающая вращающий момент: где — энергия магнитного поля системы, состоящей из постоян­ного магнита и рамки с током I; — поток постоянного магнита, сцепленный с обмоткой рамки, по которой протекает ток; В — маг­нитная индукция в воздушном зазоре; l — активная длина рамки; а — ширина рамки; — число витков обмотки рамки. Произведение al равно активной площади S рамки. Соответственно. где — потокосцепление обмотки рамки при повороте ее на угол α = 1 рад. Вращающий момент измерительного механизма стадиальным равномерным магнитным полем в воздушном зазоре не зависит от угла отклонения, а подвижной части. Под действием М подвижная участь поворачивается вокруг оси, тем самым закручивая спиральные пружины. Создающийся при этом противодействующий момент. где W — удельный противодействующий момент. При отклонении рамки на некоторый угол, а вращающий и противодействующий моменты уравняются по значению, дальнейшее отклонение рамки прекратится. Из условия равенства моментов следует, что или , откуда угол отклонения под­вижной части механизма. где — чувствительность измерительного механизма по току. Из (2.11) следует, что отклонение подвижной части измеритель­ного механизма линейно растет с увеличением тока I , т. е. шкала равномерная. Повышение чувствительности измерительного механизма может быть достигнуто за счет увеличения индукции B в зазоре, числа витков ω рамки или уменьшения удельного противодействующего момента W пружин. Увеличение индукции В за счет применения новых специальных сплавов (альнико, альни, магнико и др.) при изготовлении постоянных магнитов, обеспечивающих индукцию в зазоре 0,2 — 0,3 Т, практически целесообразно. При изменении направления тока I изменяется направление от­клонения подвижной части измерительного механизма; при включе­нии последнего в цепь переменного тока из-за инерционности его подвижной части среднее значение вращающего момента за период будет равно нулю. В магнитоэлектрических измерительных механизмах успокоение подвижной части магнитоиндукционное и воздушное. При отклоне­нии подвижной части в поле постоянного магнита в алюминиевом каркасе рамки, а также, в витках обмотки рамки, замкнутой на некоторое внешнее сопротивление, индуктируются токи, создающие совместно с полем постоянного магнита тормозной момент, быстро успокаивающий подвижную часть. К достоинствам магнитоэлектрических измерительных механизмов относят: высокую чувствительность (ИМ обладает сильным собственным магнитным полем поэтому даже при малых токах создается достаточный вращающий момент); большую точность (из-за высокой стабильности элементов ИМ, незначительного влияния внешних магнитных полей); незначительное влияние на режим из­меряемой цепи, так как мощность потребления ИМ мала; хорошее успокоение; равномерность шкалы. К недостаткам измерительных механизмов относят: сложность, изготовления, плохую перегрузочную способность, обусловленную легким перегревом пружин и изменением их свойств; температурные влияния на точность измерения. Магнитоэлектрические измерительные механизмы используют: в многопредельных, широкодиапазонных магнитоэлектрических амперметрах, вольтметрах для непосредственных измерений в цепях постоянного тока; в гальванометрах — высокочувствительных измерительных при­борах с неградуированной шкалой как для непосредственных изме­рений малых электрических токов А, напряжений менее В, зарядов, так и для обнаружения тока или напряжения в разнообразных мостовых и компенсационных цепях; в светолучевых осциллографах (в вибраторах) при наблюдении и записи мгновенных значений тока, напряжения, мощности, ча­стота которых может быть от единиц герц до 10 — 15 кГц, а также различных неэлектрических величин, преобразованных в электри­ческие; аналоговых омметрах, электронных вольтметрах, термоэлектри­ческих амперметрах, вольтметрах, электронных частотомерах, фазо­метрах; в комбинированных аналоговых вольтметрах в которых магнито­электрические измерительные механизмы совместно с выпрямитель­ными преобразователями используются при измерениях переменного тока, напряжения; в логометрах (двухрамочных механизмах), используемых в оммет­рах, частотомерах и т. д. Амперметры. Основой амперметров и вольтметров является из­мерительный механизм. В микро- и миллиамперметрах, предназна­ченных для измерения токов (не превосходящих 50 мА), измеритель­ная цепь состоит из рамки и пружин, через которые подводится ток к рамке (сопротивление цепи измерительного механизма ). Значение тока полного отклонения ограничено влиянием его теплового действия на упругие свойства спиральных противодейст­вующих пружинок. Если измеряемый ток I превосходит по значению ток полного отклонения подвижной части, то параллельно цепи измеритель­ного механизма ИМ подключается шунт (резистор), через который пропускается ток (рис. 2.6). Значение сопротивления шунта определяется из условия. Если шунт рассматривать как делитель тока с коэффициентом деления n = I / Iи , то его сопротивление. Значение сопротивления шунта обычно Ом. Для исключения влияния на результат измерения сопротивления соединительных проводов и контактов, соизмеримых с сопротивле­нием шунта, последние выполняются четырехзажимными: два за­жима (токовых) используются для включения шунта в цепь изме­няемого тока и два других зажима (потенциальных) — для подключения к измерительному механизму. Шунты обычно изготовляют из манганина, обладающего нич­тожно малым температурным коэффициентом. Большое распрост­ранение получили многопредельные ступенчатые шунты, включае­мые по кольцевой схеме (рис. 2.7). В двухпредельном амперметре, если принять I1. Дата добавления: 2018-02-28 ; просмотров: 973 ;