Седалищев В.Н. Методы и средства измерений электрических величин

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

В. Н. Седалищев

«Методы и средства измерений электрических

величин»

Учебное пособие

Изд-во АлтГТУ

Барнаул 2008

УДК 681.586.773

Седалищев В.Н. Методы и средства измерений электрических величин:

Учеб. пособие; Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. – Барнаул: Изд-во

АлтГТУ, 2008. - …с.

В учебном пособии приведен обзор основных принципов построения

приборов, предназначенных для измерения электрических величин.

Учебное пособие предназначено для студентов, изучающих измерительную,

информационную технику, автоматику и микроэлектронику, а также, может

служить справочным пособием для специалистов, разрабатывающих

измерительные системы.

Рецензенты: А.Я. Суранов к.т.н., доцент (АГУ)

Введение

Развитие современной измерительной техники, ориентированной на

обеспечение решения проблемы автоматизации управления различными

процессами (технологическими, испытательными, исследовательскими,

диагностическими и т.п.) сопровождается ростом разнообразия видов

измерений, расширением диапазонов измеряемых величин и условий

эксплуатации средств измерений, повышением быстродействия и точности

измерений.

Принципиальная особенность и основная предпосылка для расширения

функциональных возможностей используемых средств измерений

(СИ)

заключается во введении в измерительную цепь программируемых ЭВМ.

Переход от простейших измерительных приборов к современным

процессорным измерительным средствам хронологически происходил в

следующей последовательности:

• электромеханические измерительные механизмы (ИМ);

• измерительные механизмы с дополнительными устройствами;

• электронные измерительные приборы (ЭИП);

• цифровые измерительные приборы (ЦИП);

• информационно-измерительные системы (ИИС

;

• измерительно-вычислительные комплексы (ИВК);

• процессорные измерительные средства (ПрИС).

Совершенствование современных средств измерений сопровождается

объединением программной и аппаратной частей измерительных устройств,

при возрастающей роли программного обеспечения. Расширение

функциональных возможностей, повышение метрологических

характеристик СИ основаны на совершенствовании методов измерений.

Изучение данной дисциплины должно включать в себя следующие вопросы:

• алгоритмизация

измерительного процесса, обусловливающая

повышение уровня формализованного описания измерительных

процедур;

• влияние методов измерений на метрологический уровень результатов

измерений;

• перспективы совершенствования методов измерений, коррекции

погрешностей, обеспечение помехоустойчивости измерений.

В связи с этим необходимо уточнить применяемую терминологию.

Например, метод измерений – это логика процедур сравнения измеряемой

величины со значением меры и организация

процедуры получения

результатов измерений.

В процессе измерений выполняются основные и дополнительные

преобразования. Основные – непосредственно связаны с процедурами

сравнения измеряемой величины с мерой.

К дополнительным преобразованиям измеряемых физических величин

можно отнести:

• нормализацию, т.е. приведение значения величины к диапазону

измерений;

• изменение вида измерительного сигнала;

• функциональные преобразования при выполнении косвенных,

статистических и других видов измерений;

• коммутацию входных сигналов;

• коррекцию результатов измерений;

• согласование масштабных сеток, промежуточных преобразований и

т.п.

Общее число физических величин составляет: 7 основных единиц; 2

дополнительных

; 113 производных.

В том числе:

• механических – 14;

• электрических и магнитных – 40;

• тепловых – 11;

• акустических – 14;

• световых – 15;

• ионизирующих излучений – 2;

• химических – 11.

Все они различаются физической природой, поэтому отличаются и методы,

реализуемые соответствующими измерительными устройствами.

Особенность современных методов измерений заключается в преобразовании

измеряемой величины в электрические сигналы и обработке их с

широким

использованием микропроцессорной вычислительной техники. Причем

приблизительно 85% всех видов измерений относится к измерениям

физических величин неэлектрической природы. В том числе измерение:

• температуры – 50%;

• расхода – 15%;

• давления, усилий – 10%;

• уровня – 5%;

• характеристик материалов – 4%;

• электрических и магнитных величин – 5%.

Получение измерительной информации обеспечивается совокупностью

технических средств сбора и первичной обработки информации, к

которым

относятся первичные и вторичные измерительные преобразователи (ИП).

Первичные преобразователи (датчики) в большой степени определяют

качество измерений и, чаще всего, работают в более тяжелых условиях по

сравнению с другими элементами измерительной цепи. В связи с большим

разнообразием измеряемых физических величин и условий эксплуатации

парк датчиков характеризуется большим разнообразием типов и

конструктивных исполнений, чем вторичные преобразователи. Поэтому при

изучении данного курса сделан акцент на изучение методов и средств

первичного преобразования измерительной информации.

Основные свойства ИП определяются его статическими и динамическими

характеристиками - инерционностью, порогом чувствительности,

погрешностью, выходной мощностью и т.п.

Сигнал с первичного ИП поступает на измерительное устройство и затем на

устройство отображения информации. Устройства, выполняющие функции

распределения сигналов, называемые измерительными коммутаторами,

могут быть контактными и бесконтактными. Лучшими по точности

являются контактные коммутаторы

, но они имеют низкое быстродействие.

Измерительным каналом является совокупность технических средств и

линий дистанционной передачи информации. Интерфейс таких систем

включает в себя устройства и алгоритмы, определяющие порядок передачи

информации.

Для согласования первичных ИП с устройствами измерительных систем их

выходные сигналы унифицируют по уровню, мощности и т.п.

Например, уровни постоянного

тока должны быть в пределах: 0 – 5 мА; 0 –

20 мА; 4 – 20мА и т.д., а уровни напряжения постоянного тока: 0 – 10 мВ; 0 –

1В; 0 – 5В; 0 – 10В. При этом лимитируются нагрузочные сопротивления:

2,5 кОм для линий с током 0 - 5 мА и 1кОМ для токов 0 - 20мА.

В настоящее время все большее распространение приобретает цифровая

система передачи измерительной информации.

Глава 1. Общая характеристика методов и средств

измерений

Наличие достаточно большого разнообразия видов и методов

электрических измерений обусловлено множеством измеряемых физических

величин, различным характером их проявления во времени, различными

требованиями к точности результатов измерений, разнообразием способов

получения результатов и т.п.

Измерение предполагает сравнение исследуемой физической величины

с однородной физической величиной, значение которой принято за единицу

измерения, и представления

результата этого сравнения в виде числа. Для

выполнения данной процедуры необходимо осуществление различных

операций: воспроизведение, сравнение, измерительное преобразование,

масштабирование и др.

1.1 Классификация измерений

Воспроизведение величины заданного размера – это операция создания

выходного сигнала с заданными размерами информативного параметра, т.е.

величиной напряжения, тока, сопротивления, индуктивности и др. Эта

операция

реализуется средством измерения – мерой.

Сравнение – это определение соотношения между однородными

величинами, осуществляемое путем их вычитания. Эта операция реализуется

устройством сравнения (компаратором).

Измерительное преобразование – операция преобразования входного

сигнала в выходной, реализуемая измерительным преобразователем.

Выходные сигналы измерительных преобразователей и их информативные

параметры унифицированы государственной системой приборов и средств

автоматизации (ГСП). Унифицированными сигналами являются

постоянное

напряжение 0…10 В и постоянный ток 0…5, 0…20, 4…20 мА.

Масштабирование – создание с помощью масштабного

преобразователя выходного сигнала, однородного с входным, размер

которого пропорционален в определенном соотношении входному сигналу.

1.2 Виды измерений

Виды измерений можно классифицировать по различным признакам:

• по числу измерений (однократные и многократные);

• по точности (равноточные и неравноточные,

максимально

достижимой точности, контрольно поверочные, технические);

• по характеру изменения во времени (статические и динамические);

• по способу представления результатов измерений (абсолютные,

относительные);

• по способу получения результата измерений (прямые и косвенные).

Прямые измерения – это такие измерения, при которых искомое

значение физической величины получают непосредственно из опытных

данных.

Косвенные измерения – это определение искомого значения физической

величины на основании результатов прямых измерений других величин,

функционально связанных с искомой величиной. Косвенные измерения

подразделяются на совокупные и совместные.

Совокупные измерения - это проводимые одновременно измерения

нескольких одноименных величин, при которых искомые значения

определяются путем решения системы уравнений, получаемых при

измерениях этих величин в

различных сочетаниях.

Совместные измерения – проводимые одновременно измерения

нескольких не одноименных величин для определения зависимости между

ними. Числовые значения величин находят также путем решения системы

уравнений. При этом число уравнений должно быть не менее числа искомых

величин.

1.3 Методы измерений

Метод измерения – это прием или совокупность приемов сравнения

измеряемой физической величины

с ее единицей в соответствии с

реализованным принципом измерений.

Методы измерений классифицируются по следующим признакам:

• по физическому принципу, положенному в основу измерений

(электрические, механические, магнитные, оптические и т.п.);

• по степени взаимодействия средства и объекта измерения

(контактные, бесконтактные);

• по режиму взаимодействия средства и объекта измерения

(статические

, динамические);

• по виду измерительных сигналов (аналоговые, цифровые);

• по организации сравнения измеряемой величины с мерой

(непосредственной оценки, сравнения с мерой);

Метод непосредственной оценки – это метод измерения, при котором

значение величины определяют непосредственно по показаниям средства

измерения.

Метод сравнения с мерой – метод измерения, в котором измеряемую

величину сравнивают с

мерой. Эти методы подразделяют на

дифференциальные, нулевые, противопоставления, замещения и совпадений.

Дифференциальный метод (разностный) - это метод измерения, при

котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной,

незначительно отличающейся от измеряемой. Нулевой метод измерения

отличается от дифференциального метода тем, что разность величин доводят

до нуля. В методе измерения замещением измеряемую величину замещают

мерой

с известным значением физической величины. Метод совпадений

основан на совпадении отметок или периодических сигналов с образцовыми

сигналами.

1.4 Классификация средств измерений

Средство измерения (СИ) – это техническое средство, предназначенное

для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики,

воспроизводящее или хранящее единицу физической величины, размер

которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в

течение определенного интервала времени.

Данное определение раскрывает суть средств измерений,

заключающуюся в способности хранить единицу измерения в неизменном

размере.

Средства измерений классифицируют в

зависимости от назначения и

метрологических функций:

• эталонные и рабочие;

• основные и вспомогательные;

• электрические и неэлектрические;

• стандартизированные и не стандартизированные.

По назначению СИ подразделяются на:

• меры;

• измерительные преобразователи;

• измерительные приборы;

• измерительные установки;

• измерительные системы

Меры предназначены для хранения единицы измерения, бывают:

•

однозначными;

• многозначными;

• наборами (магазинами) мер.

Измерительные преобразователи (ИП) предназначены для получения

измерительной информации в форме недоступной для непосредственного

восприятия наблюдателем.

По характеру преобразования различают следующие виды ИП:

• электрических величин в электрические (шунты, делители

напряжений, измерительные трансформаторы, измерительные

усилители);

• магнитных величин в электрические (измерительные катушки,

феррозонды, преобразователи

на эффекте Холла, Гаусса,

сверхпроводимости и т.п.);

• неэлектрических величин в электрические (резистивные,

индуктивные, емкостные, генераторные и др.).

По функциональному назначению ИП подразделяют на:

• первичные;

• промежуточные;

• масштабные;

• передающие.

Измерительные приборы – это средства измерений, предназначенные

для представления измерительной информации в форме, удобной для

непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительные приборы бывают:

• аналоговые, цифровые;

• показывающие, сигнализирующие, регистрирующие;

• текущего значения, интегрирующие, суммирующие;

• щитовые, переносные, стационарные;

• обыкновенные, влаго-, газо-, пылезащищенные, герметичные,

взрывобезопасные и др.

Измерительные установки – это совокупность функционально

объединенных

мер, измерительных приборов и преобразователей и

дополнительных устройств, предназначенных для измерения одной или

нескольких физических величин и расположенных в одном месте.

Это, например, эталонные и поверочные установки, измерительные

машины (для измерения удельного сопротивления материалов, для

измерения магнитных характеристик материалов и др.).

Измерительные системы (ИС) – это совокупность функционально

объединенных средств измерений,

средство передачи данных и других

технических средств, размещенных в разных точках контролируемого

объекта с целью измерения одной или нескольких физических величин,

выработки измерительных сигналов, их обработки и хранения.

Измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) функционально

объединенная совокупность СИ, ЭВМ и вспомогательных устройств,

предназначенная для выполнения конкретной измерительной задачи.

1.5 Основные характеристики средств

измерений

Все СИ имеют общие свойства, позволяющие сопоставлять их между

собой: метрологические, технические, эксплуатационные, информационные.

Отдельные виды и типы СИ обладают своими специфическими свойствами,

которые отражаются в соответствующих нормативно-технических

документах. Важно уметь выделять, оценивать и сравнивать их

характеристики

Метрологические характеристики измерительных устройств:

• чувствительность;

• порог чувствительности;

• цена деления;

• диапазон измерения (полный, рабочий);

• уравнение измерительного преобразования (статическая

характеристика преобразования, номинальная функция

преобразования);

• погрешность (абсолютная, относительная, приведённая,

дополнительная);

• вариация показаний;

• быстродействие – время, затраченное на одно измерение.

Динамические характеристики, т.е. характеристики инерционных

свойств элементов измерительного устройства. К ним относятся

дифференциальное уравнение, описывающее работу СИ, переходные и

импульсные функции, амплитудные и фазовые характеристики.

Нормируемые метрологические характеристики – совокупность

метрологических характеристик, устанавливаемая нормативными

документами для данного типа СИ.

Кроме метрологических характеристик при эксплуатации СИ важны и

не метрологические характеристики: показатели надежности, электрическая

прочность, сопротивление изоляции, устойчивость к климатическим и

механическим воздействиям, время установления рабочего режима и др.

Надёжность средства измерения – это способность прибора сохранять

эксплутационные характеристики в течение заданного времени.

Основные критерии надёжности:

• вероятность безотказной работы в

течение определённого

периода времени;

• интенсивность отказа;

• среднее время безотказной работы.

При выборе прибора нужно учитывать: экономичность, потребляемую

мощность, возможность поверки, ремонтопригодность.

2. Устройство и принцип работы аналоговых

электромеханических измерительных приборов

В настоящее время промышленностью выпускается большое

разнообразие средств измерений электрических, магнитных и

неэлектрических величин. Среди них можно выделить следующие основные

группы: аналоговые электромеханические и электронные приборы;

цифровые измерительные приборы и аналого-цифровые преобразователи;

измерительные преобразователи электрических и неэлектрических величин;

регистрирующие приборы; измерительные информационные системы и

измерительно-вычислительные комплексы; измерительные установки

для

массовых измерений при контроле технологических процессов.

2.1 Аналоговые измерительные приборы электромеханической системы

Электромеханические измерительные приборы (ЭИП) отличаются

простотой, дешевизной, высокой надежностью, разнообразием применения,

относительно высокой точностью, не требуют дополнительных источников

энергии, могут иметь выход для подключения к ЭВМ. С их помощью можно

измерить различные физические величины.