Коловский Ю В. Метрология, стандартизации и технические измерения

Подождите немного. Документ загружается.

Пример - Воспроизведение единицы силы - ньютона - осуществляется

на основании известного уравнения механики F = mg, где m - масса, g - уско-

рение свободного падения.

Передача размера единицы - Приведение размера единицы физической

величины, хранимой поверяемым средством измерений, к размеру единицы,

воспроизводимой или хранимой эталоном, осуществляемое при их поверке

(калибровке).

Примечания

1 Нередко при поверке (калибровке) измеряют одну и ту

же физиче-

скую величину поверяемым средством измерения и эталоном с целью уста-

новления разности в их показаниях и введения поправки (в показание пове-

ряемого средства измерений).

2 Размер единицы передается "сверху вниз" в соответствии с числом

ступеней передачи, установленным поверочной схемой.

Пример - На основании сопоставления показаний высокоточного угло-

мерного прибора с

показаниями эталона вводят поправки в каждое оцифро-

ванное деление поверяемого прибора.

Хранение единицы - Совокупность операций, обеспечивающих неиз-

менность во времени размера единицы, присущего данному средству измере-

ний.

Поверочная схема для средств измерений; поверочная схема - Норма-

тивный документ, устанавливающий соподчинение средств измерений, уча-

ствующих в передаче размера единицы от эталона рабочим

средствам изме-

рений (с указанием методов и погрешности при передаче).

Примечание - Различают государственные и локальные поверочные

схемы.

Государственная поверочная схема - Поверочная схема, распростра-

няющаяся на все средства измерений данной физической величины, имею-

щиеся в стране.

Локальная поверочная схема - Поверочная схема, распространяющаяся

на средства измерений данной физической величины, применяемые в регио-

не

, отрасли, ведомстве или на отдельном предприятии (в организации).

Ученый хранитель государственного эталона; ученый хранитель -

Должностное лицо государственного научного метрологического центра, не-

сущее ответственность за правильное хранение и применение государствен-

ного эталона и его совершенствование.

Вопросы к лекции:

Централизованное и децентрализованное воспроизведение единиц.

Эталоны единиц физических величин. Классификация эталонов.

Передача информации о размерах единиц от эталонов средствам изме-

рения.

Методы и средства передачи размера единиц; государственные, ведом-

ственные и локальные поверочные схемы.

Лекция 11.

Тема 5. Технические измерения.

План лекции:



Измерение электрического тока и напряжения.



Осциллограф.



Измерение параметров элементов электрических цепей.



Измерение частоты электромагнитных колебаний.



Измерение фазового сдвига.



Измерение параметров электромагнитной совместимости.



Электрические измерения неэлектрических величин.

Измерение мощности в цепях постоянного и переменного тока.

Мощность измеряют в пределах от 10

-18

до 10

Вт во всем частотном

диапазоне от постоянного тока до миллиметровых и более коротких длин

волн. При измерениях наряду с абсолютными (ватт,, милливатт и т. д.) широ-

ко используют относительные (логарифмические) единицы мощности. При

этом измеряемую мощность

оценивают числом децибел, определяемым

из соотношения

α (дБ)= 10 log Р

/Р

(1)

где

P0—мощность, принимаемая за исходный уровень.

Практически значение

выбирают равным 1 мВт или 1 Вт. В первом

случае единица измерения 1 дБ-мВт, во втором — 1 дБ-Вт. В зависимости от

соотношения

и P0 значение а может быть положительным или отрица-

тельным. Знак, минус означает, что

меньше Р

. Отметим, что относитель-

ные единицы измерения имеют ряд существенных преимуществ и приме-

няются для оценки мощности источников радиотехнических сигналов, сте-

пени их усиления или ослабления» чувствительности приемных устройств,

погрешностей измерений и т. д.

Активная составляющая мощности однофазного переменного

тока .

Р=UI cosφ, (2)

где

U, I — среднеквадратические значения напряжения и тока; φ — фазовый

сдвиг между ними.

Если нагрузка чисто активная (φ=0), то мощность переменного тока

нн

PUI IR U R 

(3)

Отметим, что при активной нагрузке электрическая энергия полностью

преобразуется в теплоту и ее количество

Q, выделяющееся за 1 с, пропор-

ционально подведенной мощности:

QkP



(4)

где k — коэффициент пропорциональности.

Электрическую мощность можно измерять непосредственно с помо-

щью приборов, называемых- ваттметрами, или косвенно путем измере-

ния величин, входящих в приведенные соотношения. Измерители мощности

промышленной частоты наряду со счетчиками энергии служат основой дей-

ствующей системы учета потребления электрической энергии в народном

хозяйстве. Измерение мощности в диапазоне звуковых и высоких

частот

имеет ограниченное значение, так как на частотах до нескольких десятков

мегагерц, как правило, удобнее измерять напряжения и токи, а мощность

определять расчетным путем. На частотах свыше 100 МГц вследствие волно-

вого характера процессов значения напряжения и токов теряют однознач-

ность и результаты измерений начинают зависеть от места включения

прибора. Вместе с

тем поток мощности через любое поперечное сечение ли-

нии передачи всегда остается неизменным. По этой причине основным пара-

метром, характеризующим режим работы устройства СВЧ, становится

мощность.

Построение ваттметров в соответствии с формулами (2) и (3) основано

на реализации операции умножения. Применение находят устройства прямо-

го и косвенного перемножения. Примерами устройств прямого перемноже-

ния могут служить измерительные механизмы ваттметров электродинамиче-

ской системы. Прямое перемножение можно также получить при использо-

вании преобразователей Холла или специальных схем на униполярных (по-

левых) транзисторах. В устройствах косвенного перемножения произведение

величин, входящих в формулу (2), осуществляют. в результате использова-

ния других математических операций, таких, как сложение (вычитание),

возведение в степень

, логарифмирование, интегрирование и т. д.

В измерительной технике применяют схемы, выполненные на квадра-

торах

— устройствах, выходная величина которых пропорциональна квадра-

ту значений, приложенного ко входу. Подобную характеристику имеют тер-

моэлектрические- и выпрямительные (диодные) преобразователи, а также

специальные нелинейные цепи, воспроизводящие требуемую квадрати-

ческую зависимость. На рисунке 1 приведена структурная схема ваттметра

на квадраторах, в основе которого лежит тождество



12 1 2 1 2

()

xx x x x x







(5)

В схеме на квадраторах умножения исходных значений заменяют их

сложением, вычитанием и возведением в квадрат. В ней кроме квадраторов

используются суммирующие и вычитающие устройства, в качестве которых

могут быть использованы операционные усилители.

Если

X1 = U

sinωt и х

R sin (ωt—φ), то напряжение на входе

фильтра составит

R sin ωt sin (ωt—φ). Положив R = 1,0 Ом и учтя соот-

ношение для произведения синусов двух углов, имеем

cosφ-2U

cos

ωt - φ). Соответственно напряжение на выходе фильтра пропорционально

измеряемой мощности.

Рисунок 1 - Схема ваттметра на квадраторах

Существенным недостатком схем перемножения на квадраторах явля-

ется необходимость полной идентичности их характеристик. Нарушение это-

го, требования влечет за собой погрешность измерения. В практических

схемах погрешность перемножения составляет несколько процентов.

Более высокую точность умножения обеспечивает операция интегрирова-

ния, которую применяют в точных измерительных преобразователях актив-

ной мощности промышленной частоты. Перемножение реализуют в два

этапа. На первом этапе величину

()

запоминают путем ее интегрирова-

ния в пределах строго определенного малого интервала времени

Суммирующее

устройство

Вычитающее

устройство

Фильтр

Вычитающее

устройство

Квадратор

() () ()

11 11

ii i

Ukxdtktx



где

k — коэффициент пропорциональности; t

—постоянный интервал ин-

тегрирования;

i— момент дискретизации перемножаемых величин.

На втором этапе реализуют два процесса. Величину

()

преоб-

разуют в пропорциональный интервал времени:

() () ()

121121

ii i

xx u

Tkukktx

где k

— коэффициент пропорциональности.

Практически эту операцию выполняют с помощью преобразования,

аналогичного используемого в интегрирующих АЦП. Одновременно в

пределах того же интервала времени

()

осуществляют интегрирование

второй перемножаемой величины Результат интегрирования определяет

выражение

()

uxi

вых

Uk xdt







где k3 — коэффициент пропорциональности.

Рисунок 2 - Измерение мощности переменного тока:

а –способ трёх вольтметров; б-способ трёх амперметров.

Полагая, что

()

() ()

в пределах

()

постоянна, имеем

() () () () () ()

32 1 123 1 2 1 2

i i ii ii

вых xu

UkxT kkktxxkxx 

, (6)

где

123u

kkkkt

— коэффициент пропорциональности.

Таким образом, выходное напряжение пропорционально произ-

ведению входных величин.

Внедрение в измерительную технику микропроцессоров позволяет

осуществлять операцию умножения программным путем. При этом опреде-

ление активной мощности по измеренным мгновенным значениям тока и

напряжения сведется к реализации соотношения

()()

(1/ ) ()() (1/ )

пр

Т F

kjk t

пр пр

PTUtitdtTU











, (7)

где F=1/Δt — частота дискретизации силы тока и напряжения;

Tпр — период промышленной частоты.

Практически частоту дискретизации выбирают в пределах нескольких де-

сятков килогерц.

В диапазоне звуковых и высоких частот определение мощности, по-

требляемой произвольной нагрузкой Z

, можно выполнить в результате ис-

пользования схем для измерения cos φ (рисунок 2).

В первой схеме (способ трех . вольтметров) последовательно с нагруз-

кой Z

включает дополнительный резистор R. Результаты измерения позво-

ляют построить треугольник напряжений и из него определить

222

123

()

cos

UUU







(8а)

Сопротивление резистора R должно иметь значение, близкое к значению |Z

Также желательно, чтобы внутренние сопротивления вольтметров во много

раз превосходили значение |Z

|. По этой причине способ трех вольтметров

используют в тех случаях, когда Z

H достаточно мало.

Вторая схема (способ.трех амперметров) в основном используется

при достаточно больших значениях Z

. По показаниям амперметров строит-

ся треугольник токов, из которого определяют искомое значение cos

Φ:

222

123

cos







(8б)

Во второй схеме желательно использовать, амперметры, собственное

сопротивление которых мало по сравнению с величиной нагрузки |Z

H|.

Способы измерения мощности СВЧ существенно отличаются от рас-

смотренных. Все они основаны на эквивалентном преобразовании энергии

исходный электромагнитных колебаний в другой вид энергии, удобный для

измерения. Средства измерения мощности СВЧ подразделяют на измери-

тели поглощаемой и проходящей мощностей.

К первой группе относится приборы, измеряющие мощность, рассеи-

ваемую на активной нагрузке, являющейся частью самого измерительного

прибора. Так как нагрузка должна, полностью поглощать измеряемую

мощность, то использование прибора возможно лишь при отключенном по-

требителе. Результат измерения будет точным

, если входное сопротивление

прибора согласовано с внутренним сопротивлением исследуемого, генерато-

ра или волновым сопротивлением линии передачи.

Ко второй группе относятся приборы, измеряющие мощность, распростра-

няющуюся по линии передачи при нормальной работе потребителя. В основе

их принципа действия, как правило, лежит теорема Умова — Пойнтинга,

согласно которой плотность потока мощности определяется векторным

про-

изведением напряженностей электрической Е и магнитной Н составляю-

щих поля:

П=ЕН*

(9)

Знак * означает комплексную сопряженность.

Калориметрический измеритель мощности СВЧ

Калориметрический способ — наиболее универсальный способ из-

мерения мощности СВЧ в пределах от единиц милливатт до сотен кило-

ватт. Обычно, его используют при точных измерениях относительно

больших мощностей. Способ основан на эквивалентном преобразова-

нии измеряемой энергии СВЧ в теплоту и измерении .приращения тем-

пературы калориметрического тела, поглотившего эту энергию. Энергия

СВЧ может

рассеиваться непосредственно в калориметрическом теле

или на резистивной нагрузке, помещенной в нем. Вне зависимости от

формы колебаний результатом измерения будет среднее значение мощ-

ности. Различают два вида калориметрических измерений: статический

(адиабатический) и циркуляционный.

Статический измеритель (рисунок 3) состоит из согласованной поглощаю-

щей нагрузки, калориметрического тела и измерителя температуры. Изме-