Основные сведения об измерении

     Очевидно, что любой измерительный прибор сравнения должен иметь цепь обратной связи и замкнутую структуру. Обратная связь может применяться и в приборах прямого действия, однако в них она всегда охватывает не весь процесс преобразования, а только его часть. Например, в структурной схеме на рисунке 1.4 (а) усилитель постоянного тока может быть охвачен обратной связью. В измерительных приборах сравнения в цепи обратной связи всегда формируется физическая величина, однородная с измеряемой, которая подается на вход прибора.

     Следует отметить, что сравнение измеряемой величины с мерой в приборах сравнения может осуществляться либо одновременно (нулевой метод), либо разновременно (метод замещения).

     Аналоговые  измерительные приборы (АИП) характеризуются  тем, что их показания являются непрерывными функциями изменений измеряемых величин. Все многообразие АИП можно свести к трем структурным схемам, показанным на рисунке 1.5.

Рис. 1.5. Структурные схемы АИП 

     Структурная схема, приведенная на рисунке 1.5 (а), соответствует АИП прямого действия. В данных АИП преобразование измерительной информации осуществляется только в одном направлении от входа к выходу. Измеряемая величина x с помощью измерительного преобразователя ИП преобразуется в напряжение или ток, который воздействует на электромеханический измерительный механизм ИМ, взывая перемещение его подвижной части и связанного с ней указателя отсчетного устройства ОУ. Отсчетное устройство содержит оцифрованную шкалу, с помощью которой оператор On получает количественный результат измерения. Градуировка шкалы прибора производится путем подачи на его вход ряда известных значений измеряемой величины, реализуемых многозначной образцовой мерой М. Таким образом, сравнение измеряемой величины с единицей измерения в данном случае осуществляется косвенно, а мера М в процессе измерения непосредственного участия не принимает.

     На рисунке 1.5 (б) изображена структура АИП сравнения. Эти приборы предназначены для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно. Устройство сравнения УС сравнивает значения преобразованной с помощью ИП измеряемой величины и образцовой величины, реализуемой регулируемой мерой М. Оператор On с помощью индикатора И оценивает результат сравнения и регулирующее значение величины, воспроизводимой мерой М, до достижения равенства величин на входах УС. Значение величины, воспроизводимой мерой М, отображается отсчетным устройством ОУ, которое может быть отградуировано в единицах измеряемой величины.

     При отсутствии ИП на входе АИП осуществляется непосредственное сравнение измеряемой величины с физически однородной ей величиной, воспроизводимой мерой.

     Обобщенная структура автоматического АИП сравнения приведена на рисунке 1.5 (в). Принцип действия аналогичен описанному выше, но мера М регулируется автоматически с помощью устройства управления УУ.

     В АИП применяются различные ИМ, предназначенные для преобразования электрической энергии в механическую энергию перемещения подвижной  части относительно неподвижной (рисунок 1.6).

Рис. 1.6. Схемы магнитоэлектрического (а), электродинамического (б),

ферродинамического (в) и электростатического (г) ИМ 

      В магнитоэлектрическом ИМ (рисунок 1.6, а) рамка подвижной части перемещается в магнитном поле воздушного зазора. На рамку действует вращающий момент

где B – магнитная индукция в рабочем зазоре, S – активная площадь рамки, ω – число витков обмотки рамки,  I – измеряемый ток.

      Кроме вращающего момента на подвижную  часть ИМ действует противодействующий момент, создаваемый обычно пружиной

где α – угол поворота подвижной части, W – удельный противодействующий момент. Рамка жестко соединена со стрелкой. Движение подвижной части происходит до тех пор, пока . В этом положении стрелки производят отсчет показаний по отсчетному устройству ОУ (обычно шкала).

     Магнитоэлектрические  ИМ применяются в амперметрах, вольтметрах, гальванометрах, омметрах и обеспечивают высокую точность (класс 0,05), равномерную  шкалу, высокую чувствительность, малое  собственное потребление мощности, большой диапазон измерений

     . Однако они имеют сложную конструкцию,  показания зависят от температуры  и пригодны для измерения только  в цепях постоянного тока.

     В электродинамических ИМ вращающий  момент создается при взаимодействии тока, проходящего по рамке подвижной  части, с магнитным потоком, создаваемым  током, проходящим через неподвижные  катушки возбуждения (рисунок 1.6, б). К их достоинствам относятся возможность использования в цепях как постоянного, так и переменного тока, стабильность показаний во времени. Однако шкала неравномерна, чувствительность невысокая, показания зависят от частоты сигнала, температуры, внешних магнитных полей, боятся тряски, вибраций, сложны по конструкции. Применяются в амперметрах, вольтметрах, ваттметрах, частотомерах, фазометрах классов точности 0,5, 0,2, 0,1.

     Ферродинамические ИМ отличаются от электродинамических  тем, что неподвижная катушка  расположена на сердечнике из ферромагнитного материала (рисунок 1.6, в), что приводит к значительному увеличению M_вр и уменьшению влияния внешних магнитных полей. Однако про этом снижается точность за счет наличия потерь на гистерезис и вихревые токи. Поэтому их применение ограничено цепями переменного тока до 1,5 кГц в качестве амперметров, вольтметров, ваттметров. Промышленность выпускает тряско-, вибро- и ударопрочные ферродинамические приборы классов точности 1,5 и 2,5, переносные класса 0,5, щитовые классов 0,2 и 0,5. В цепях постоянного тока практически не используются из-за потерь на гистерезис.

     В электростатических ИМ (рисунок 1.6, г) для  перемещения подвижной части  используется взаимодействие двух или  нескольких электрически заряженных проводников. Измеряемое напряжение приложено к неподвижным и подвижным электродам из алюминия и создает между ними электростатическое поле и вращающий момент M_вр, поворачивающий подвижный электрод. Используются в цепях постоянного и переменного тока (до 10 МГц), показания не зависят от частоты и формы измеряемого напряжения, от внешних магнитных полей, имеют большой диапазон измеряемых напряжений (сотни кВ). Однако имеют малую чувствительность, показания зависят от внешних электрических полей, классы точности 0,5, 1,0, 1,5.

     В практике измерений широко применяются выпрямительные приборы, представляющие собой сочетание диодного выпрямителя и магнитоэлектрического ИМ. Такая комбинация обеспечивает измерение как постоянных, так и переменных токов в широком диапазоне частот (до 20 кГц). Промышленно выпускается в виде авометров.

     Для измерений токов высокой частоты (до сотен МГц) используются термоэлектрические приборы – сочетание магнитоэлектрического  ИМ и термоэлектрического преобразователя, выполненного в виде термопары и  нагревателя (допустимая температура 600..800 °С). Измеряемый ток протекает через нагреватель (проволока из вольфрама, нихрома и константана), температура которого определяется величиной этого тока. Термо-ЭДС термопары, пропорциональная величине тока, измеряется магнитоэлектрическим ИМ. Класс точности 0,5 и 1,0, диапазоны измерения 100 мА ..10 А, 0,75..50 В. Однако показания приборов зависят от температуры окружающей среды, входное сопротивление низкое (200..300 Ом/В), малая чувствительность. Применяются в качестве амперметров, вольтметров, ваттметров.

     Электронные АИП представляют собой сочетание  электронной части (выпрямитель, усилитель) и магнитоэлектрического ИМ. Отличаются большим диапазоном измеряемых величин  и быстродействием. Применяются  в качестве вольтметров, частотомеров, измерителей емкости, сопротивления, индуктивности, параметров транзисторов, интегральных схем и др.

     Цифровые  измерительные приборы (ЦИП) осуществляют автоматическое преобразование входной  измеряемой величины в код. Показания  ЦИП представлены в цифровой форме. В отличие от АИП в ЦИП обязательно выполняются операции квантования измеряемой величины по уровню, дискретизации ёё по времени и кодирование (рисунок 1.7).

Рис. 1.7. Обобщенная структурная схема ЦИП 

      Измеряемая  аналоговая величина x(t) поступает на унифицирующий измерительный преобразователь (УИП), содержащий делители, усилители, выпрямители, фильтры, преобразователи линеаризации и т.п. Нормализованный аналоговый сигнал y(t) поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который выполняет операции квантования по уровню и по времени x(t), сравнения x(t) с мерой M и кодирование результатов. При этом на выходе формируется дискретный сигнал ДС, который преобразуется в цифровом средстве отображения информации (ЦСОП) в цифровой отсчет N или в виде кода передается на ЭВМ. Устройство управления (УУ) реализует необходимый алгоритм измерения. 

Преимуществами  ЦИП перед АИП являются:

• удобство и объективность отсчета;
• высокая точность результатов измерения, практически недостижимая для АИП;
• широкий динамический диапазон при высокой разрешающей способности;
• высокое быстродействие за счет отсутствия подвижных электромеханических элементов;
• возможность автоматизации процесса измерения, включая такие операции, как автоматический выбор полярности и пределов измерения;
• высокая устойчивость к внешним механическим и климатическим воздействиям, помехозащищенность;
• возможность использования новейших достижений микроэлектронной технологии при конструировании и изготовлении;
• возможность сочетания с вычислительными и другими автоматическими устройствами.

     Промышленно выпускаются в виде цифровых вольтметров, частотомеров, фазометров, омметров, осциллографов и т.д.

     В соответствии с определением измерительные  преобразователи формируют сигнал измерительной информации, удобный для дальнейшего преобразования, хранения, передачи, обработки. Как видно из рисунка 1.3 они могут быть классифицированы в зависимости от используемого метода измерения и способа представления величины аналогично измерительным приборам. Кроме того, принято различать измерительные преобразователи по расположению в измерительной системе и виду функции преобразования. 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Погрешности средств измерений

      При любом измерении имеется погрешность, представляющая собой отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. На рисунке 1.8 приведена классификация погрешностей средств измерений по ряду признаков. 

Рис. 1.8. Классификация погрешностей измерительных  устройств 

     Систематическая погрешность – составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины. По характеру проявления систематические погрешности разделяются на постоянные и переменные. Переменные в свою очередь могут быть прогрессирующими, периодическими и изменяющимися по сложному закону.

     Для исключения систематической погрешности  наибольшее распространение в практике получил метод поправок.

     Случайная составляющая погрешности при повторных  измерениях одной и той же величины изменяется случайным образом. Обычно она является следствием одновременного действия многих независимых причин, каждая из которых в отдельности мало влияет на результат измерения. Случайные погрешности не могут быть исключены из результата измерения, но теория вероятности и математическая статистика позволяют оценить результат измерения при наличии случайных погрешностей. Они характеризуются свойствами, которые формулируют двумя аксиомами:

1. Аксиома случайности — при очень большом числе измерений случайные погрешности, равные по величине и различные по знаку, встречаются одинаково часто. Число отрицательных погрешностей равно числу положительных.
2. Аксиома распределения — малые погрешности встречаются чаще, чем большие. Очень большие погрешности не встречаются.

Случайные погрешности рассматриваются как  случайные величины, подчиняющиеся  некоторому симметричному закону распределения.

      Основной  погрешностью называют погрешность  при использовании средства измерений  в нормальных условиях. Нормальными условиями применения средств измерений называют условия, при которых влияющие величины имеют номинальные значения или находятся в пределах нормальной области значений. Нормальные условия применения указываются в стандартах или технических условиях на средства измерений. При использовании средств измерений в нормальных условиях считают, что влияющие на них величины практически никак не изменяют их характеристики.