Обзор развития, современное состояние и значение метрологии

  • Вид работы:
    Книга / Учебник
  • Предмет:
    Другое
  • Язык:
    Русский
    ,
    Формат файла:
    MS Word
    1,57 Мб
  • Опубликовано:
    2012-09-09
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!

Обзор развития, современное состояние и значение метрологии













Конспект лекций по курсу «Метрология и измерения»

Тема 1 Введение. Основные представления метрологии

Вся практическая деятельность человека тесно связана с измерениями. Любое современное производство немыслимо без точного, объективного контроля технологического процесса. Развитие науки сопровождается всегда также и прогрессом в развитии средств измерений. Появилась отрасль техники, представляющая собой совокупность технических средств, методов и приемов сбора информации и проведения измерений, интерпретации их результатов, называемая информационно измерительной техникой (ИИТ). Среди различных средств измерений особое место занимают средства электроизмерительной техники, получившие широкое распространение благодаря следующим основным преимуществам:

универсальность, позволяющая применение их для измерений как электрических, так и неэлектрических величин, предварительно преобразованных в электрические;

дистанционность, заключающаяся в возможности проводить измерения на значительном удалении от места установки средств измерений;

относительная простота автоматизации измерительных процессов;

возможность измерения быстро изменяющихся величин;

обеспечение высокой чувствительности и точности измерений и т.д.

Первый электроизмерительный прибор (электрометр) был предназначен для изучения атмосферного электричества и построен в 1743 г. русским академиком Г.В. Рихманом - соратником великого М.В. Ломоносова.

В 1820 г. А.Ампер продемонстрировал первый гальванометр, а в 1837 г. де ля Рив изобрел тепловой электроизмерительный прибор.

В первой половине XIX века были заложены основы электротехники (законы Фарадея, принцип Ленца), разработаны методы электрических измерений - баллистический, компенсационный, мостовой, появились первые гальванометры.

Электроизмерительная техника как отрасль сформировалась во второй половине XIX века. Большой вклад в развитие метрологии и электро-приборостроения внесли российские естествоиспытатели, инженеры и изобретатели - М.О. Доливо-Добровольский, А.Г. Столетов, Б.С. Якоби и др. Так, электроизмерительные приборы и методы измерений, разработанные выдающимся электротехником М.О. Доливо-Добровольским, дошли до наших дней (индукционный ваттметр и фазометр, электромагнитные вольтметры и амперметры, ферродинамический ваттметр, метод измерений потерь в стали и др.). А.Г. Столетов впервые применил баллистический метод в магнитных измерениях, используемый до сих пор. Одни из первых приборов для измерения электрического сопротивления создал академик Б.С. Якоби, с его именем также связаны первые попытки ввести единство в измерения электрических величин.

Для воспроизведения, хранения и передачи размера единиц различных величин с помощью специальных мер-эталонов в некоторых странах были созданы специальные метрологические учреждения. В России таким учреждением явилось созданное в 1842 г. Депо образцовых мер и весов, преобразованное позднее в Главную палату мер и весов, первым руководителем которой был Д.И. Менделеев.

В 1875 г., учитывая необходимость единства измерений в международном масштабе, по инициативе российской стороны 17 странами-учредительницами подписана Международная «Метрическая конвенция». В настоящее время к этой конвенции присоединилось более 60 стран, которые образовали Международную Организацию Мер и Весов (МОМВ). Первая система единиц физических величин, установленная в международном масштабе, была принята Первым конгрессом по электричеству в 1881 г.

Конец XIX в. характеризовался первыми успехами радиосвязи и радиоэлектроники. Ее развитие привело к необходимости создания средств измерительной техники нового типа, рассчитанных на малые входные сигналы, высокие частоты и высокоомные входы. В этих новых средствах измерительной техники использовались радиоэлектронные компоненты -выпрямители, усилители, модуляторы и генераторы сигналов, электронно-лучевые трубки (при построении осциллографов) и др.

Особенно быстрыми темпами развивались приборостроение и информационно-измерительная техника последние полвека, характеризующиеся созданием качественно новых приборов и измерительных систем, использующих последние достижения науки и техники.

Расширение номенклатуры и качественных показателей средств измерительной техники неразрывно связано с достижениями радиоэлектроники. Одним из современных направлений развития измерительной техники, базирующейся на достижениях радиоэлектроники, являются цифровые приборы с дискретной формой представления информации. Такая форма представления результатов оказалась удобной для преобразования, передачи, обработки и хранения информации. Развитие дискретных средств измерительной техники в настоящее время привело к созданию цифровых вольтметров постоянного тока, погрешность показаний которых ниже 0,0001 %, а быстродействие преобразователей напряжение-код достигает нескольких миллиардов измерений в секунду; верхний предел измерения современных цифровых частотомеров достиг ГГц; цифровые измерители временного интервала имеют нижний предел измерения до долей пикосекунды; а электрические токи измеряются в диапазоне от 10-16 до 105 А.

Для комплексных измерений большого числа величин стали применять измерительные информационные системы и, в том числе, измерительно-вычислительные комплексы. Структура современных средств ИИТ, как правило, включает микропроцессоры и микроЭВМ. Благодаря им значительно расширились области применения средств измерительной техники, улучшились их технические характеристики, повысились надежность и быстродействие, открылись пути реализации задач, которые ранее не могли быть решены.

Область измерительной техники, объединяющую измерительные устройства и методы измерений, применяемые в технологических процессах, называют технологическими измерениями. Набор измеряемых параметров, включаемых в технологические измерения, весьма различен для различных отраслей промышленности и во многом зависит от специфики технологических процессов.

Любой производственный процесс характеризуется большим числом параметров, изменяющихся в широких пределах. Для поддержания требуемого режима технологической установки необходимо измерение указанных параметров. При этом, чем достовернее осуществляется измерение технологических параметров, тем лучше качество целевого выходного продукта. Современное производство, например, нефтехи-мического профиля с непрерывным характером производства для поддержания качества выпускаемой продукции используют измерение различных физических параметров, таких, как температура, объемный и массовый расход веществ, давление, уровень и количество вещества, время, состав вещества (плотность, влажность, содержание механических примесей и др.), напряжение, сила тока, скорость и др. При этом число требуемых для измерения параметров достигает нескольких тысяч. Так, в атомной энергетике количество требуемых для измерения параметров процессов достигает десятков тысяч.

Это определяет невозможность проведения современных технологических процессов без их частичной, комплексной или полной автоматизации. Автоматизация технологического производства предполагает, в том числе, автоматический контроль технологических параметров.

Автоматический контроль является наиболее старым и важнейшим видом автоматизации. Работа любой системы автоматизации технологического производства строится на основе измерений, осуществляемых датчиками и другими средствами контроля и измерений. Этим определяется первостепенное значение измерений для систем автоматизации любого уровня и сложности.

Измерение - это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Принципиальная особенность измерения заключается в отражении размера физической величины числом. При этом значение физической величины, количественная оценка измеряемой величины, должна быть выражена числом именованным. т.е. результат измерения должен быть выражен в определенных единицах, принятых для данной величины.

Результат измерения практически всегда отличается от истинного значения физической величины, поскольку истинное значение определить невозможно, что объясняется несовершенством средств измерений, способов измерений, ограниченными возможностями человеческого организма и др.

Измерение уменьшает исходную неопределенность значения физической величины до уровня неизбежной остаточной неопределенности, определяемой погрешностью измерения. Погрешность измерения - это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Погрешность измерения является непосредственной характеристикой точности измерения. Под точностью измерений подразумевают качество измерения, отражающее близость результата измерения к истинному значению измеряемой величины.

Значение погрешности измерения зависит от совершенства технических устройств, способа их использования и условий проведения измерительного эксперимента. Под измерительным экспериментом понимают научно обоснованный опыт для получения количественной информации с требуемой или возможной точностью определения результата измерений. Проведение измерительного эксперимента предполагает наличие технических устройств, которые могут обеспечить заданную точность получения результата. Технические устройства, участвующие в эксперименте, заранее нормируются по показателям точности и относятся к средствам измерений.

При измерениях широко используется термин «информация», под которым подразумевают совокупность сведений, уменьшающих неопределенность знаний об объекте. Соответственно, измерительная информация - это количественные сведения о свойствах материального объекта, явления или процесса, получаемые с помощью средств измерений в результате их взаимодействия с объектом.

Взаимодействие объекта исследования и средств измерений в процессе эксперимента предполагает наличие сигналов, которые являются носителями информации. Носителями информации могут являться электрический ток, напряжение, импульсы и другие электрические параметры. Измерительный сигнал - сигнал, функционально связанный с измеряемой физической величиной с заданной точностью.

Метрологическое обеспечение - это установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений.

Научной основой метрологического обеспечения является метрология наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности измерений.

Организационная основа метрологического обеспечения - метрологические службы предприятий, учреждений и организаций, государственные региональные центры стандартизации, метрологии и сертификации (ранее их возглавлял Госстандарт СССР).

Третья составляющая метрологического обеспечения - техническая основа - система государственных эталонов; система передачи размеров единиц физических величин от эталонов всем средствам измерений с помощью образцовых средств измерений и средств поверки; система государственных испытаний средств измерений; система обязательной поверки или метрологической аттестации средств измерений; система стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов и др.

Правовую основу метрологического обеспечения составляет Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ), представляющая собой комплекс нормативно-технических документов, устанавливающих единую номенклатуру стандартных взаимоувязанных правил и положений, требований и норм, относящихся к организации и методике оценивания и обеспечения точности измерений.

Большое значение в измерительной технике придается единству измерений. Единство измерений - такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в указанных единицах, а погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Единство измерений позволяет сравнивать результаты различных экспериментов, проведенных в различных условиях, выполненных в разных местах с использованием разных методов и средств измерений. Это достигается путем точного воспроизведения и хранения установленных единиц физической величины и передачи их размеров применяемым средствам измерения.

Поскольку все физические величины находятся так или иначе в какой-то связи друг с другом, в аналогичной взаимной связи находятся и единицы их измерений. Совокупность этих величин, связанных между собой зависимостями, образуют систему единиц физических величин. В системе единиц только так называемые основные единицы устанавливаются произвольно, единицы же измерения всех остальных величин являются производными от основных. В качестве основных выбирают величины, которые могут быть воспроизведены и измерены с наиболее высокой точностью. В области электротехники таковыми приняты - длина, масса, время и сила электрического тока. Зависимость каждой производной величины от основных отображается ее размерностью. Размерность величины представляет собой произведение обозначений основных величин, возведенных в соответствующие степени.

В странах бывшего СССР действуют государственные стандарты, согласно которым введена к обязательному применению международная система единиц SI («System International»).

Эталоны единиц физических величин - это средства измерений, обеспечивающие воспроизведение или хранение единиц с целью передачи их размеров рабочим средствам измерений. Передача размеров единиц осуществляется с помощью поверочных схем, которые устанавливают методы, средства, точность и соподчинённость средств измерений при передаче размера единицы физической величины от исходного образцового средства до объекта поверки.

В настоящее время действует около 130 эталонов единиц физических величин. Различают эталоны основных и производных единиц (в соответствии с делением физических величин), а также первичные и вторичные (по точности воспроизведения единиц и подчиненности). Первичные эталоны воспроизводят и хранят единицы физических величин и передают их размеры с наивысшей точностью. К вторичным эталонам относят эталоны-копии, эталоны сравнения и рабочие эталоны. Первые предназначены для передачи размера единицы рабочим эталонам, которые служат для поверки образцовых и наиболее точных рабочих средств измерений. Эталоны сравнения применяются для взаимного сличения эталонов, которые не могут быть непосредственно сличены друг с другом.

Кроме национальных (государственных) существуют также международные эталоны, предназначенные для поддержания единства измерений в международном масштабе путем периодического сличения.

Следует отметить, что в настоящее время основные метрические единицы измерения системы SI (кроме единицы массы) базируются не на физических объектах, а на физических константах. Так, эталон метра, бывший ранее металлическим стержнем, ныне определяется как дистанция (длина пути), которую покрывает луч света за 1 / 299792458 долю секунды. А секунда определяется как продолжительность 9192631770 периодов колебаний электромагнитного излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Эти первичные эталоны используются для определения национальных эталонов не только в эталонных единицах измерения, но и в единицах, производных от них. Так, эталон сопротивления, воспроизводящий 1 Ом с помощью десяти манганиновых катушек сопротивления, основывается на эталонных единицах измерения длины, массы, времени и тока.

Основными объектами государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ) являются: единицы физических величин; государственные эталоны и поверочные схемы; методы и средства поверки средств измерений; нормы точности измерений, методики выполнения измерений и т.д. Система была создана в СССР и содержит стандарты, обеспечивающие единство измерений и требующие неукоснительного выполнения.

Для обеспечения единства измерений ГСИ требует выражать результаты измерений в единицах физических величин системы SI. В соответствии с этим основными единицами являются единицы длины (метр), массы (килограмм), времени (секунда), силы тока (ампер), термодинамической температуры (кельвин), количества вещества (моль) и силы света (кандела). К дополнительным единицам отнесены радиан (единица плоского угла) и стерадиан (единица телесного угла). Кроме основных и дополнительных, система единиц предусматривает производные единицы, образуемые из основных и дополнительных при помощи определяющих уравнений.

ГСИ содержит более сотни стандартов. Согласно одному из них средства измерений, находящиеся в пользовании, должны периодически подвергаться государственной поверке, ревизии, экспертизе.

Дадим определения некоторым из терминов, принятых в практике метрологического обеспечения.

Поверка - это действия метрологического органа по определению погрешностей средств измерений и установлению его пригодности к применению.

Ревизия - действия по установлению соответствия средств и методик измерений необходимому уровню метрологического обеспечения производства.

Экспертиза - действия по определению соответствия средств и методик их применения техническим условиям. Поверка, ревизия и экспертиза осуществляются государственными или ведомственными метрологическими органами. На средства измерений, прошедшие государственную (ведомственную) поверку, ставится соответствующее клеймо.

Калибровка - специальный вид испытаний, которым устанавливают пригодность испытываемого изделия к применению, а также знак ошибки.

Юстировка - специальный вид работ, имеющий целью доведение погрешности средства измерений до значения, соответствующего техническим требованиям.

Поверочная схема - утверждаемый в установленном порядке документ, устанавливающий средства, методы и точность передачи размера единицы эталона или образцового средства измерений рабочим средствам измерений.

Схема поверки - схема реальных соединений (электрических, гидравлических, пневматических и др.) образцовых и рабочих средств измерений при поверке последних.

Для изучения данной дисциплины необходимо усвоение следующих дисциплин:

Дисциплина

Наименование разделов (тем)

1 Физика

Механика. Кинематика. Колебания и волны. Электричество и магнетизм. Электростатика. Постоянный электрический ток. Магнитное поле. Явление электромагнитной индукции. Электромагнитные колебания.


Оптика. Свойства световых волн. Интерференция и дифракция. Электромагнитные волны в веществе. Дисперсия.

2 Математика

Элементы линейной алгебры. Введение в математический анализ. Дифференциальное исчисление функции одной переменной. Интегральное исчисление функции одной переменной.


Дифференциальное исчисление функции многих переменных. Кратные интегралы. Теория рядов. Дифференциальные уравнения. Элементы теории вероятностей и математической статистики.

3 Теоретические основы электротехники

Линейные электрические цепи постоянного тока. Электрические цепи однофазного синусоидального тока. Цепи несинусоидального тока.


Нелинейные электрические цепи. Магнитные цепи. Электростатическое поле.

4 Электроника

Базовые элементы электроники: резисторы, конденсаторы, терморезисторы, тензорезисторы, фотоэлектронные приборы. Основной элементный базис аналоговых и цифровых интегральных микросхем: усилители постоянного и переменного тока, генераторы, активные фильтры и другие аналоговые элементы на базе интегральных операционных усилителей; комбинированные схемы: кодовые преобразователи, шифраторы и дешифраторы, мультиплексоры, постоянные запоминающие устройства; аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и другие элементы на базе цифровых интегральных микросхем. Современные методы схемотехни-ческого моделирования.


Знания, полученные при изучении дисциплины «Метрология и измерения», используются при освоении следующих дисциплин:

- «Прикладная теория информации»;

-       «Автоматизация типовых технологических процессов и производств».

Тема 2 Классификация измерений

Дадим определения некоторым терминам, которыми будем оперировать в дальнейшем:

принцип измерения - совокупность физических явлений и закономерностей, положенных в основу измерения;

метод измерения - совокупность приемов использования принципов и средств измерений;

способ измерения - практическое осуществление процесса получения измерительной информации (аналоговый или цифровой). Способ измерения отражает основные аспекты технического построения измерительного устройства, связывающие принцип измерения с методом измерения.

На рис.2.1 приведена классификационная структура способов и методов измерения, известных в настоящее время.


















Рисунок 2.1 - Классификация измерений

Кроме того, по условиям, определяющим точность результата, различают следующие классы измерений:

измерения максимально возможной точности, достижимой при современном уровне развития техники (создание и воспроизведение эталонов, образцовых средств измерений, измерение универсальных физических констант);

контрольно-поверочные измерения, погрешности которых не должны превышать заданного значения (выполняются в основном государственными и ведомственными метрологическими службами);

технические измерения (в том числе, технологические) - наиболее распространенный класс измерений, выполняются во всех отраслях промышленности и науки, погрешность результата в них определяется характеристиками средств измерений.

Тема 3 Погрешности измерений

Погрешность - это искажение результата измерений. В общем случае погрешность равна измеренному значению минус истинное значение. Погрешность измерений представляет собой сумму всех составляющих погрешности. Чтобы выбрать средство и метод измерений, необходимо точное знание характера погрешности и обеспечение соответствующих условий проведения измерений.

Погрешность измерений может быть представлена в абсолютной и относительной форме.

Абсолютная погрешность (отклонение) - погрешность, выраженная разностью между измеренным X' и истинным Х0 значениями:

DХ=X'-Х0                                                                                       (3.1)

Она всегда выражается в единицах измеряемой величины.

Относительная погрешность - это отношение абсолютной погрешности DХ к истинному значению Х0

                                                                                         (3.2)

Под истинным значением здесь следует понимать значение измеряемой величины, полученное с помощью образцовых средств измерения с наибольшей точностью. Относительная погрешность выражается в относительных единицах либо в процентах.

Основной вид представления погрешности в электроизмерительной технике - приведенная погрешность средства измерения (отношение максимальной абсолютной погрешности DХмах к конечному значению диапазона измерений Xк):

                                                              (3.3)

На рис.3.1 приведена классификационная структура видов погрешности измерений и формы ее представления.

Грубая погрешность - это погрешность, значительно превосходящая по величине погрешность, ожидаемую при данных условиях измерений. Результатом ее является промах. Основные причины появления грубой погрешности: неправильное считывание показаний, дефекты средств измерений, сильные внешние воздействия (помехи) и т.д.

Систематическая погрешность обусловлена несовершенством средства измерения, метода измерения. Она имеет для каждого измеренного значения определенное значение и при наличии ряда измерений постоянный знак.

Случайная погрешность возникает при непредвиденных изменениях параметров средств измерений, измеряемых объектов или окружающей среды. Так как она носит случайный характер как по значению, так и по знаку, то скорректировать эту погрешность в отличие от систематической невозможно.












 

Рисунок 3.1 - Классификация погрешностей


Методическая погрешность обусловлена невозможностью точного установления соотношения между измеряемой величиной и выходным сигналом средства измерения, по которому оценивается результат измерения, вследствие недостаточной изученности объекта исследования, невозможности точного учета влияния местных факторов, недостаточной разработанности теории физических явлений, приближенных методов и т.д.

Погрешность средств измерений или инструментальная погрешность обусловлена несовершенством средства измерений. Это погрешности от трения, некачественных юстировки и калибровки, дрейф нуля и т.д. Инструментальная погрешность имеет определяющее значение для наиболее распространенных технических измерений. В зависимости от условий применения измерительных устройств различают основную и дополнительную погрешности.

Основной погрешностью средства измерений называют погрешность при использовании его 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.

Дополнительной погрешностью средства измерений называют изменение его погрешности, вызванное отклонением одной из влияющих величин от ее нормативного значения или выходом ее за пределы нормальной области значений. Дополнительная погрешность может быть вызвана изменением сразу нескольких влияющих величин.

Субъективная погрешность обусловлена индивидуальными свойствами человека, выполняющего измерения. Причиной ее могут являться также укоренившиеся неправильные навыки выполнения измерений.

Результат измерения всегда содержит как систематическую, так и случайную составляющие погрешности. Причем если первые могут быть в значительной степени уменьшены либо исключены с помощью специальных методов (введением поправок, устранением источников погрешностей и др.), то вторые трудно поддаются анализу, поскольку вызываются сложной совокупностью изменяющихся факторов, и могут быть уменьшены за счет снижения влияния причин появления их только в случае знания этих причин (например, экранированием цепей от наводок внешнего поля).

Другой способ уменьшения влияния случайных погрешностей (путем их учета) на результат измерения основан на статистической обработке результатов многократных измерений одного и того же значения измеряемой величины с помощью методов теории вероятностей. В этом случае говорят об ожидаемой погрешности. Последний способ предполагает либо многократные измерения одними и теми же средствами, либо параллельные одновременные измерения несколькими независимыми средствами измерений.

Отдельное значение случайной погрешности предсказать невозможно. Совокупность же случайных погрешностей какого-то измерения одной и той же величины подчиняется определенным закономерностям, которые являются вероятностными. При этом физическую величину, результат измерения которой содержит случайную погрешность, и саму случайную погрешность рассматривают как случайную величину. При этом систематическую погрешность результата измерения DХС рассматривают как математическое ожидание этой величины, а случайную составляющую DХ - как центрированную случайную величину:

DХ = DХС + DХ

Для количественной оценки объективной возможности появления того или иного значения случайной величины служит понятие вероятности, которую выражают в долях единицы (вероятность достоверного события равна 1, а вероятность невозможного события - 0).

Математическое описание непрерывных случайных величин осуществляется обычно с помощью дифференциальных законов распределения случайной величины. Эти законы определяют связь между возможными значениями случайной величины (погрешности) и соответствующими им плотностями вероятностей (непрерывной считают случайную величину, имеющую бесчисленное множество значений, получить которое можно только при бесконечном числе измерений).

В практике электрических измерений встречаются различные законы распределения. Реальные законы распределения даже в простейших случаях отличаются от теоретических стандартных, рассматриваемых ниже. Однако практика показывает, что погрешность в 10-20 % при определении самой погрешности вполне удовлетворительна.

Рассмотрим наиболее известные стандартные законы распределения.

Нормальный закон (распределение Ф.Гаусса - А.М.Ляпунова) - один из наиболее распространенных законов распределения, описывается формулой:

                               (3.5)

где  - плотность вероятности погрешности ;

 - среднеквадратическое отклонение погрешности;

 - систематическая составляющая погрешности.

0 DХС DХ

Рисунок 3.2   График нормального закона распределения погрешности

Рисунок 3.2   График нормального закона распределения погрешности измерений (а) и ее случайной составляющей (б)

При этом плотность вероятности (или плотность распределения) характеризует плотность, с которой распределяются значения погрешности в данной точке, а среднеквадратическое отклонение характеризует рассеяние результатов отдельных наблюдений относительно математического ожидания, т.е. форму кривой распределения плотности вероятности, площадь под которой всегда равна единице.

Поскольку ΔХ=ΔХ-ΔХС, то закон распределения случайной составляющей погрешности примет вид:

                                          (3.6)

На основании закона Гаусса получены аксиомы случайных погрешностей:

А. Аксиома случайности (свойство симметрии) - при большом числе измерений случайные погрешности, численно равные по абсолютному значению, но противоположные по знаку, встречаются одинаково часто.

В. Аксиома распределения (свойство концентрации) - чем больше случайные погрешности по значению, тем меньше вероятность их появления.

Равномерный закон распределения - такому закону подчиняется погрешность дискретности в цифровых приборах, погрешность от трения в опорах электромеханических преобразователей и т.д.

                           (3.7)

Трапециевидный закон распределения

Рисунок 3.4

Характеризует погрешность, образуемую из двух независимых составляющих, каждая из которых имеет равномерный закон распределения, но ширина интервала этих законов различна.

Треугольный закон (Симпсона)

Рисунок 3.5

Частный случай трапециевидного, когда составляющие имеют одинаковые равномерные законы распределения.

Двухмодальный закон

Характерен для приборов с гистерезисом при перемагничивании деталей прибора, для приборов, имеющих люфт кинематических механизмов и т.д.


Если погрешность измерения образуется из пяти и более составляющих, среди которых нет существенно преобладающих, то принимают обычно нормальный закон распределения результирующей погрешности.

 Из Теории вероятностей известно, что законы распределения можно охарактеризовать числовыми характеристиками, которые используются и для количественной оценки погрешности.

К основным числовым характеристикам законов распределения относят:

математическое ожидание погрешности измерений - это неслучайная величина, относительно которой рассеиваются другие значения погрешностей при повторных измерениях -

                                                  (3.8)

М[DХ] характеризует систематическую составляющую погрешности измерения: M[DХ] = DХС ;

дисперсия погрешности характеризует степень рассеивания отдельных значений погрешности относительно математического ожидания. Чем меньше дисперсия, тем меньше разброс и точнее выполнены измерения -

                                 (3.9)

среднеквадратическое отклонение - числовая характеристика точности измерений, выражаемая в единицах погрешности

                                                                      (3.10)

доверительный интервал - интервал, за границы которого погрешность не выйдет с некоторой вероятностью. Границы интервала при этом называют доверительными значениями погрешности, а вероятность, характеризующую доверительный интервал - доверительной вероятностью.

Доверительный интервал выбирают в зависимости от конкретных условий измерений. При нормальном законе распределения случайных погрешностей со среднеквадратическим отклонением часто пользуются доверительным интервалом от , для которого доверительная вероятность составляет 0,9973. Это означает, что в среднем из 370 случайных погрешностей только одна погрешность по абсолютному значению будет больше . Поскольку на практике число отдельных измерений редко превышает несколько десятков, то можно утверждать, что все возможные случайные погрешности измерения, распределенные по закону Гаусса, практически не превышают по абсолютному значению .

Последнее утверждение принято называть правилом «трех сигм».

Тема 4 Средства измерений

Свойства средств измерений оценивают характеристиками, среди которых выделяют комплекс метрологических, которые необходимы при оценке точности результатов измерений. Рассмотрим основные метрологические характеристики.

Функция преобразования - это статическая характеристика, которая представляет собой функциональную зависимость между информативными параметрами выходного и входного сигналов средства измерений. Как правило, функцию преобразования представляют в виде графика либо таблицы. Функция преобразования, устанавливаемая на данное средство в научно-технической документации, называется номинальной. Из-за несовершенства конструкции и технологии изготовления реальная функция преобразования измерительного устройства отличается от номинальной. Это отличие и определяет погрешность данного измерительного устройства. Отклонения реальной характеристики от номинальной различны и зависят от значения измеряемой величины. В нормальных условиях эксплуатации прибора реальная функция преобразования не должна выходить за пределы допустимых значений.

Вариация показаний прибора определяется как разность показаний прибора при одном и том же значении измеряемой величины. Она определяется при плавном подходе стрелки к проверяемой отметке шкалы от начальной и конечной отметок шкалы. Вариация показаний характеризует степень устойчивости показаний прибора в одних и тех же условиях измерения одной и той же величины.

Чувствительность средства измерений - это отношение приращения выходного сигнала DY средства измерений к вызывающему это приращение изменению входного сигнала DХ. При линейной статической характеристике чувствительность постоянная, а приборы с постоянной чувствительностью имеют равномерную шкалу, т.е. длина делений шкалы одинакова.

Принято различать абсолютную и относительную чувствительность.

Абсолютная чувствительность


Для линейной градуировочной характеристики SX=Y/X.

Относительная чувствительность выражается в единицах входной величины


Постоянная прибора - это характеристика прибора, часто указываемая в паспортах аналоговых измерительных приборов и обратная чувствительности:


Порог чувствительности - наименьшее значение изменения входной величины, обнаруживаемое с помощью данного средства измерений и выраженное в единицах входной величины. Современный уровень электроизмерительной техники позволяет получить для рабочих средств измерений порог чувствительности по напряжению 10-8 В и по току 10-16 А.

К важнейшим характеристикам средств измерений относятся также абсолютная, относительная и приведенная относительная погрешности, рассмотренные ранее. Погрешность определяют при поверке, при этом вместо истинного значения используют действительное, получаемое экспериментальным путём с помощью образцовых средств измерений.

Рабочая область частот - область значений частот переменного тока, в пределах которой нормируется дополнительная частотная погрешность средства измерений.

Диапазон измерений - это область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средств измерений. Диапазон измерений задается через начальное и конечное значения.

Для каждого средства измерений характерен свой диапазон показаний - диапазон значений измеряемой величины, который может быть индицирован данным средством измерений. Он не всегда соответствует диапазону измерений. Для аналоговых средств измерений со шкалами диапазон показаний соответствует диапазону шкалы. Для шкальных измерительных приборов важна характеристика, называемая ценой деления шкалы - разность значений величины, соответствующих двум соседним градуировочным отметкам шкалы. Она показывает, насколько изменится значение измеряемой величины при изменении показания на одно деление или применительно к цифровой шкале - на один шаг дискретности. Таким образом, измеренное значение определяют умножением цены деления на количество отсчитанных по шкале делений.

Для оценки влияния средства измерений на режим работы объекта исследования указывают входное полное сопротивление средства, значение которого пропорционально мощности, потребляемой от объекта исследования средством измерения. А для оценки допустимой нагрузки на средство измерений необходимо знать выходное полное сопротивление средства - чем меньше его значение, тем больше допустимая нагрузка.

В зависимости от полноты описания динамических свойств средств измерений различают полные и частные динамические характеристики, описывающие инерционные свойства средств измерений, т.е. зависимости выходного сигнала средства измерения от меняющихся во времени параметров входного сигнала, внешних влияющих величин или нагрузки. К полным динамическим характеристикам относят переходную характеристику, импульсно-переходную (весовую) характеристику, амплитудно-фазовую характеристику, передаточную функцию и т.д. К частным динамическим характеристикам - коэффициент демпфирования (степень успокоения), время установления показаний прибора, время установления выходного сигнала (для измерительных преобразователей) и др.

Для метрологических характеристик средств измерений принято их нормирование - установление номинальных значений и границ допускаемых отклонений реальных метрологических характеристик от их номинальных значений. Этим вопросам посвящен соответствующий государственный стандарт «Нормирование и использование метрологических характеристик средств измерений». Существует также ГОСТ «Классы точности средств измерений. Общие требования», определяющий нормирование пределов допускаемых погрешностей для большинства электрических средств измерений, используемых в статическом режиме.

Рассмотрим подробнее обобщенную метрологическую характеристику класс точности. Это количественная оценка гарантированных границ погрешности средства измерений, указанная обычно в процентах при обеспечении нормальных условий эксплуатации данного средства измерений.

Класс точности определяется пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами, влияющими на точность, значения которой устанавливаются ГОСТом.

При этом пределы допускаемых погрешностей средства измерений выражаются в форме абсолютной, относительной и приведенной погрешностей.

Абсолютная выражается  либо


где а и b - некоторые положительные числа. Коэффициент а определяет постоянную составляющую погрешности и носит название аддитивной. Составляющая погрешности, линейно зависящая от значения измеряемой величины, определяется коэффициентом b и называется мультипликативной.

Относительная погрешность выражается  либо


где ХК - конечное значение диапазона измерений;

с - коэффициент, численно равный относительной погрешности на верхнем пределе измерения;

d - коэффициент, численно равный погрешности на нижнем пределе измерения, выраженной в процентах от верхнего предела.

Первый способ выражения относительной погрешности применяется для нормирования погрешности однозначных мер и масштабирующих преобразователей. В этом случае число, обозначающее класс точности и предел допускаемой основной погрешности в %-х совпадают. Это число заключают в кружок (рис.4.4).

Второй способ используется для некоторых цифровых приборов, в частности, для цифровых вольтметров. В этом случае указывают через дробь два коэффициента - с/d. Например:

 - для

Приведенная погрешность  выражается в %-х от нормирующего значения (обычно - ХК). Класс точности, присваиваемый по нормированной приведенной погрешности, выбирается из ряда чисел:

1∙10n; 1,5∙10n; 2∙10n; 4∙10n; 5∙10n; 6∙10n,

где n=1; 0; -1; -2 и т.д.

Причем для одного и того же значения показателя разрешается устанавливать не более пяти классов точности.

На электроизмерительных приборах класс точности указывается обычно на шкале. Дополнительный символ (угол, окружность) обозначает нормирующее значение, от которого берется процент.

Установлена международная градация классов точности, согласно которой значения классов точности для измерительных приборов составляют:

для образцовых - 0,05 0,1 0,2 (0,3) 0,5

для рабочих - 1 1,5 2,5 (4) 5

Тема 5 Измерительные сигналы

Взаимодействие объекта исследования и средств измерений в процессе эксперимента предполагает наличие сигналов, которые являются носителями информации. Сигнал как материальный носитель информации представляет собой некоторый физический процесс, один из параметров которого функционально связан с измеряемой величиной. Такой параметр называют информативным. Остальные параметры сигнала являются неинформатив-ными. В электрических средствах измерений наиболее часто применяют электрические сигналы, информативными параметрами которых могут быть мгновенные значения постоянного тока и напряжения, амплитудные, средневыпрямленные или действующие значения переменных токов и напряжений, а также их частота или фаза и др.

При прохождении сигналов в средствах измерений они могут преобразовываться из одного вида в другой, более удобный для последующей передачи, хранения, обработки или восприятия оператором. Для иллюстрации таких преобразований на рис. 5.1 приведена структурная схема прибора, предназначенного для измерения температуры. На выходе термопары ТП возникает сигнал измерительной информации - термоЭДС е, которая зависит от измеряемой температуры t (°С). Этот сигнал преобразуется модулятором М в прямоугольные импульсы напряжения Um, амплитуда которых пропорциональна термоЭДС. Переменная составляющая сигнала Um усиливается усилителем У~ переменного тока и преобразуется в однополярные импульсы UB выпрямителем В. Выходной сигнал выпрямителя подается на милливольтметр mV, вызывая отклонение его указателя на некоторый угол α. В данной схеме сигналы е, Um, U~, UB, α - это сигналы измерительной информации.

Рисунок 5.1 - Преобразование сигналов измерительной информации

Измеряемая величина (в рассматриваемом примере - температура) является входным сигналом для первичного измерительного преобразователя. Если сформулировать строже, то измеряемая величина является информативным параметром входного сигнала. Так, например, при измерении действующего напряжения силовой сети переменного тока входным сигналом является синусоидальное напряжение, а измеряемой величиной - действующее значение этого сигнала, являющееся в данном случае его информативным параметром.

Необходимым условием различных преобразований сигналов является реализация определенной (чаще линейной) функциональной зависимости между информативными параметрами сигналов у и измеряемой величиной х. Практически в средствах измерений это условие выполняется с некоторой точностью, обусловленной погрешностями преобразования звеньев и действием помех. Применение того или иного вида сигнала зависит от многих факторов: используемых принципов преобразования измеряемых величин в электрический сигнал для первичных измерительных преобразователей, требуемой точности и помехоустойчивости передачи измерительной информации, скорости изменения измеряемых величин и др.

Важным классификационным признаком сигналов является характер их изменения во времени и по информативному параметру. По этому признаку различают непрерывные (или аналоговые) и дискретные сигналы. Часто изменение сигнала по информативному параметру называют изменением по уровню. Дискретные по уровню сигналы называют также квантованными сигналами.

Рассмотрим основные виды сигналов, используемые в средствах измерений.

Непрерывные (аналоговые) по информативному параметру и времени сигналы определены в любой момент времени существования сигнала и могут принимать любые значения в диапазоне его изменения. В качестве таких сигналов получили широкое применение постоянные и гармонические токи и напряжения. Для постоянных токов I и напряжений u информативными параметрами являются их мгновенные значения, функционально связанные с измеряемой величиной х. На рис. 5.3, б изображен непрерывный сигнал у (ток I или напряжение u), связанный линейной зависимостью у=kх с измеряемой величиной х, здесь k - коэффициент преобразования.

В гармонических сигналах информативными параметрами могут быть амплитуда YM, угловая частота ω или фаза φ. Изменение информативного параметра гармонического сигнала в соответствии с изменением измеряемой величины х называют модуляцией этого сигнала.

Рисунок 5.3 - Виды измерительных сигналов

Если с изменением х в гармоническом сигнале меняется один из параметров YM, ω или φ, то говорят, что осуществляется соответственно амплитудная - АМ (рис.5.3, а, б), частотная - ЧМ (рис.5.3, а, г) или фазовая - ФМ (рис.5.3, а, д) модуляция. При фазовой модуляции фаза сигнала определяется относительно второго (опорного) гармонического сигнала у0.

Непрерывные по информативному параметру и дискретные по времени сигналы определены на некотором конечном или счетном множестве моментов времени ti (или на множестве интервалов времени Δ ti = τ. Модель таких сигналов показана на рис.5.3, е, где у (ti) - последовательность значений непрерывного сигнала у(t)=kх(t) (рис.5.3, б), определенных в моменты времени ti. В реальных средствах измерений подобным сигналом является периодическая последовательность импульсов постоянного тока (рис.5.3, ж), у которых, в отличие от абстрактной модели, информативными параметрами могут быть не только амплитуда YM, но и частота f или длительность τ этих импульсов. При этом в зависимости от того, какой из этих параметров функционально связан с х, имеет место соответственно амплитудно-импульсная - АИМ (рис.5.3, а, ж), частотно-импульсная - ЧИМ {рис.5.3, а, з) или широтно-импульсная - ШИМ (рис.5.3, а, и) модуляция сигнала.

Сигналы, непрерывные во времени и квантованные (дискретные) по информативному параметру - в таких сигналах (рис.5.3, б, к) информативный параметр может принимать только некоторые разрешенные уровни у1, отстоящие друг от друга на конечные интервалы (кванты) Δy. Примером такого сигнала может служить сигнал на выходе цифро-аналогового преобразователя.

Сигналы, дискретные по времени и квантованные по информативному параметру. Моделью такого сигнала (рис.5.3, л) является дискретная последовательность уi(ti) значений непрерывного сигнала у(t)=kх(t) (рис.5.3, б), принимающая только разрешенные уровни уi и определенная в дискретные моменты времени ti. Такому виду сигналов соответствуют, например, сигналы при кодово-импульсной модуляции, при которой в моменты времени ti каждому разрешенному уровню уi устанавливается в соответствие определенный код - комбинация условных сигналов, в частности импульсов постоянного тока высокого уровня, обозначаемых 1, и импульсов низкого уровня, обозначаемых 0. На рис.5.3, м показаны две кодовые комбинации - 0101 и 1010, соответствующие уровням у4 и у8 в моменты времени t1 и tm.

Приведенные примеры сигналов широко используются в электрических средствах измерений. Однако следует иметь в виду, что находят применение и другие сигналы.

В задачах преобразования сигналов измерительной информации часто возникает необходимость представления непрерывных сигналов дискретными и восстановления сигнала по его дискретным значениям. При этом непрерывный сигнал у(t) представляется совокупностью дискретных значений у(t1), у(t2), …, у(ti) (рис.5.4, а, б), по которым с помощью некоторого способа восстановления может быть получена оценка у*(t) исходного непрерывного сигнала у(t).

Восстановление кривой сигнала по дискретным отсчетам осуществляется различными базисными функциями. В качестве таких функций широко применяют различные полиномы, в частности полиномы Лагранжа. Так, на рис. 5.4 показаны исходный сигнал у(t) и восстановленный по дискретным отсчетам сигнал у*(t), полученный при использовании полиномов Лагранжа нулевой и первой степени. Такое восстановление сигналов называют также нулевой экстраполяцией и линейной интерполяцией.

Рисунок 5.4 - Исходная кривая у(t) сигнала и восстановленная (аппроксимирующая) кривая у*(t) полиномами Лагранжа нулевой (а) и первой (б) степени

Тема 6 Измерение электрических величин

В цепях постоянного тока обеспечивается наиболее высокая точность измерений, в цепях переменного тока она понижается с повышением частоты; здесь, кроме оценки среднеквадратического, средневыпрямленного и максимального значений, часто требуется наблюдение формы исследуемого сигнала и знание мгновенных значений тока и напряжения.

Измерители тока и напряжения независимо от их назначения должны при включении не нарушать режима работы цепи измеряемого объекта; обеспечивать малую погрешность измерений, исключив при этом влияние внешних факторов на работу прибора, высокую чувствительность измерения, быструю готовность к работе и высокую надежность.

Выбор приборов, выполняющих измерение тока и напряжения, определяется совокупностью многих факторов, важнейшие из которых: род измеряемого тока; диапазон частот измеряемой величины и амплитудный диапазон; форма кривой измеряемого напряжения (тока); мощность цепи, в которой осуществляется измерение; мощность потребления прибора; возможная погрешность измерения (ниже будут указаны требования к конкретным приборам).

Измерение напряжения выполняют методами непосредственной оценки и сравнения.

Если необходимая точность измерения, допустимая мощность потребления и другие требования могут быть обеспечены амперметрами и вольтметрами электромеханической группы, то следует предпочесть этот простой метод непосредственного отсчета. В маломощных цепях постоянного и переменного токов для измерения напряжения обычно пользуются электронными цифровыми и аналоговыми вольтметрами. Если необходимо измерить напряжение с более высокой точностью, следует использовать приборы, действие которых основано на методах сравнения.

Измерение тока возможно прямое (методом непосредственной оценки аналоговыми и цифровыми амперметрами) и косвенное. При этом напряжение измеряется на резисторе с известным сопротивлением. Для исследования формы и определения мгновенных значений напряжения и тока применяют осциллографы.

Измерение постоянного напряжения

Метод непосредственной оценки. При использовании данного метода вольтметр подключают параллельно тому участку цепи, на котором необходимо измерить напряжение. При измерении напряжения на нагрузке R в цепи с источником энергии, ЭДС которого Е и внутреннее сопротивление R0, вольтметр включают параллельно нагрузке.

Для уменьшения погрешности измерения напряжения мощность потребления вольтметра должна быть мала, а его внутреннее сопротивление велико.

Напряжение в цепях постоянного тока можно измерить любым измерителем напряжения, работающим на постоянном токе (аналоговыми магнитоэлектрическим, электродинамическим, электромагнитным, электростатическим и цифровым электронным вольтметрами). Выбор измерителя напряжения обусловлен мощностью объекта измерения и необходимой точностью. Диапазон измеряемых напряжений лежит в пределах от микровольт до десятка киловольт. Если объект измерения обладает большой мощностью, используют электромеханические вольтметры, мощность, потребляемую измерительными приборами, не учитывают; если же объект измерения маломощный, то мощность, потребляемую измерительными приборами, нужно учитывать либо использовать электронные вольтметры.

Методы сравнения. Нулевой метод заключается в уравновешивании, достигаемом при подключении к прибору сравнения либо двух электрически не связанных между собой, но противоположных по знаку напряжений или ЭДС, либо двух раздельно регулируемых токов. Разница, полученная в результате такого воздействия, доводится до нуля. Нулевой метод реализуется в схемах компенсации напряжений или ЭДС (рисунок 6.1, а) и токов (рисунок 6.1, б).

Рисунок 6.1 - Схемы компенсации напряжений (a) и токов (б)

Наибольшее распространение получила схема, показанная на рис. 6.1, а. В ней измеряемое напряжение Ux компенсируется равным, но противоположным по знаку известным напряжением UK.

Рисунок 6.2 - Классификация измерительных компенсаторов

Падение напряжения UK создается током на регулируемом компенсирующем сопротивлении RK. Изменение RK происходит до тех пор, пока UK не окажется равным Ux. Момент компенсации определяют по отсутствию тока в цепи магнитоэлектрического гальванометра G; при этом мощность от объекта измерения не потребляется.

Устройства, служащие для выполнения измерений компенсационным методом, называют потенциометрами или компенсаторами.

В практических схемах компенсаторов для обеспечения необходимой точности измерения ток в рабочей цепи определяют не амперметром непосредственной оценки, а компенсационным методом с помощью эталона ЭДС - нормального элемента. Нормальные элементы обеспечивают постоянную во времени ЭДС, равную 1,01865 В при 20 °С, внутреннем сопротивлении 500-1000 Ом, токе перегрузки 1 мкА.

С повышением температуры окружающей среды значение ЭДС уменьшается:

Et = Е20 - 0,00004(t - 20) -0,000001(t-20)2,

где Et - ЭДС при t °C;

Е20 - ЭДС при 20 °С.

Использование качественных нормальных элементов и измерительных сопротивлений, а также отсутствие потребления мощности от исследуемого объекта позволяют создавать на основе компенсаторов одни из наиболее высокоточных электроизмерительных приборов и устройств.

Измерительные компенсаторы постоянного тока обычно подразделяют на компенсаторы большого и малого сопротивления.

Компенсаторы большого сопротивления предназначены для измерения ЭДС с верхним пределом 1,2…2,5 В. Сопротивление рабочей цепи в них достигает 10 кОм на 1 В напряжения питания. Соответственно компенсаторы малого сопротивления используются для измерения малых ЭДС (например, ЭДС термопар). Рабочий ток этих компенсаторов выбирают в пределах от 1 до 25 мА.

Высокую точность компенсаторов постоянного тока характеризует основная допускаемая погрешность прибора типа РЗЗ2 DU=±(5Ux+0,01)×10-6 B. Верхний же предел измерений этого прибора составляет 2,1211111 В.

Как и в случае с мостовыми схемами компенсаторы различных схемотехнических решений называют по имени изобретателя (первого исследователя). Например, из компенсаторов постоянного тока наиболее известны компенсатор Линдека-Роте (основан на измерении тока) и компенсатор Поггендорфа (основан на потенциометрическом принципе), принципиальные схемы которых приведены соответственно на рис. 6.3 и 6.4.

На схеме компенсатора Линдека-Роте (рис. 6.3):

Ux - измеряемое напряжение;

RN - образцовое сопротивление;

R1 - регулировочное сопротивление.

Нулевое показание гальванометра, который используется в качестве нуль-индикатора, свидетельствует о достижении компенсации. при этом Ux=I1×RN. Поскольку RN=соnst, то значение I1 является мерой искомого напряжения (ЭДС): Ux~I1.

Для компенсатора Поггендорфа (рис. 6.4) существует определенная методика измерения Ux: сначала устанавливается значение рабочего тока I1 (переключатель - в положении 1) и переменным резистором R1 изменяют ток до полного его отсутствия в гальванометре G, что возможно при

ЕN = I1 × RN.

Рисунок 6.3 - Схема компенсатора Линдека-Роте

Рисунок 6.4 - Схема компенсатора Поггендорфа


Затем в режиме измерения переключатель переводится в положение 2, движок реостата Rk перемещают до отсутствия тока в G. Если R¢k обеспечивает нулевое показание гальванометра, то

=I1×R¢k=R¢k ×EN/RN

В зависимости от значения сопротивления рабочей цепи различают компенсаторы постоянного тока большого сопротивления (высокоомные 10-40 кОм, ток рабочей цепи 10-3-10-4А, порядок измеряемого напряжения 1-2,5 В, погрешность измерения 0,02% измеряемой величины) и малого сопротивления (низкоомные 10-1000 Ом; ток рабочей цепи 10-1-10-3А, порядок измеряемого напряжения до 100 мВ, погрешность измерения 0,5% измеряемого значения).

Высокоомные компенсаторы используют для поверки магнитоэлектрических, электродинамических вольтметров. Для расширения пределов измерения напряжения в компенсаторах применяют высокоомные резисторные делители напряжения, позволяющие уменьшать измеряемое напряжение в п раз (10, 100, 1000) до значения, близкого к верхнему пределу измерения компенсатора. При использовании делителя напряжения от объекта измерения потребляется некоторая мощность, т. е. теряется одно из основных преимуществ компенсационного метода.

При измерении ЭДС источников с большим внутренним сопротивлением или напряжений, действующих в высокоомных цепях, входное сопротивление магнитоэлектрических и электронных вольтметров может быть недостаточно большим, поэтому целесообразно использовать дифференциальный или компенсационный метод.

Дифференциальный метод основан на измерении разности между измеряемым и известным напряжениями при их неполной компенсации. Схема измерения представлена на рис. 6.5. Высокоомный электронный вольтметр V1 с чувствительным пределом служит для измерения разностного напряжения между измеряемым Uх и известным UK напряжениями. Магнитоэлектрический аналоговый или цифровой вольтметр V2 используется для измерения напряжения UK. Рекомендуется при UK = 0 измерить вольтметром V1 ориентировочное значение Ux, а уж затем установить по вольтметру V2 удобное для отсчета напряжение UK. Измеряемое напряжение Ux при указанной полярности включения вольтметра Vx определяется как Ux = UK + AU.

Рисунок 6.5 - Дифференциальный метод измерения напряжения

Дифференциальный метод обеспечивает высокую точность измерения напряжения. Погрешность измерения определяется в основном погрешностью вольтметра, измеряющего UK.

Для измерения малых постоянных напряжений (порядка 10-8 В) используют гальванометрические компенсаторы. Гальванометрический компенсатор имеет высокую чувствительность при высоком входном сопротивлении.

Прямое измерение постоянного тока. Амперметр включается последовательно в разрыв исследуемой цепи.

Последовательное включение амперметра с внутренним сопротивлением RA в цепь с источником ЭДС Е и сопротивлением R (сопротивление нагрузки и источника) приводит к возрастанию общего сопротивления и уменьшению протекающего в цепи тока. Погрешность измерения тем меньше, чем меньше мощность потребления амперметра РА по сравнению с мощностью потребления цепи Р, в которой осуществляется измерение. Поэтому амперметр, включаемый последовательно в цепь измерения, должен обладать малым сопротивлением, т. е. RA - 0.

Диапазон значений постоянных токов, с измерением которых приходится встречаться в различных областях техники, чрезвычайно велик (от токов 1×10-17 А до десятков и сотен тысяч ампер). Поэтому методы и средства измерения их различны.

Измерение постоянного тока можно выполнить любым измерителем постоянного тока: аналоговым магнитоэлектрическим, электродинами-ческим, аналоговым и цифровым электронным амперметром. При необходимости измерения весьма малых токов, значительно меньших тока полного отклонения /и магнитоэлектрического измерителя, последний применяют совместно с усилителем постоянного тока. Усиления тока можно добиться при включении биполярных транзисторов по схеме с общим эмиттером, которая обеспечивает малое входное сопротивление усилителя.

Токи 10-9-10-6А можно измерить непосредственно с помощью высокочувствительных магнитоэлектрических зеркальных гальванометров и гальванометрических компенсаторов.

Косвенное измерение тока. Кроме прямого измерения токов амперметрами возможно косвенное измерение токов с помощью резисторов с известным сопротивлением R0, включаемых в разрыв цепи, и высокочувствительных измерителей напряжения. Измеряемый ток Ix = U0/R0, где U0 - падение напряжения на резисторе R0, измеренное вольтметром либо компенсатором постоянного тока.

Для получения минимальных погрешностей измерения тока сопротивление резистора R0 должно быть много меньше сопротивления цепи, в которой измеряется ток. Косвенный способ реализован в электронных аналоговых и цифровых измерителях тока.

Измерение переменного напряжения

Измерение напряжения и тока на промышленной частоте можно выполнить любыми вольтметрами и амперметрами, работающими на частоте 50 Гц. Когда объект измерения мощный, то измерения выполняют электромагнитными и электродинамическими вольтметрами и амперметрами.

Для измерения напряжения на промышленной частоте применяют также компенсаторы переменного тока, позволяющтие измерять переменное напряжение (ЭДС) с достаточно высокой точностью как с учетом фазы, так и без него.

Если фазовое положение не имеет значения, то измерение осуществляют после соответствующего преобразования компенсатором Румпфа (с помощью термопреобразователей) и полярно-координатным компенсатором. Последний содержит фазорегулятор и делитель напряжения, с помощью которых регулируется компенсирующее напряжение по фазе и модулю.

Измерение с учетом фазы предполагает, что в каждый момент времени напряжение компенсации должно быть равно по значению и противоположно по знаку неизвестному Ux , иначе говоря, должны быть одинаковыми амплитуда и частота, а сдвиг по фазе составлять 180°. Такой компенсатор принято называть компенсатором Ларсена или прямоугольно-координатным. В этих приборах компенсирующее напряжение представляет собой композицию двух компонент, отличающихся друг от друга по фазе на 90°.

При помощи компенсаторов можно измерять не только ЭДС (напряжение), но и косвенно ток, сопротивление, магнитный поток и другие величины. Компенсаторы переменного тока менее точны по сравнению с компенсаторами постоянного тока, так как отсутствует эталон ЭДС переменного тока.

Измерение напряжения и тока на повышенной и высокой частоте осуществляется вольтметрами (выпрямительными, термоэлектрическими, электростатическими, электронными), работающими в указанном диапазоне частот, а также электронно-лучевыми осциллографами. Осциллографы - приборы, чувствительные к напряжению, поэтому все измерения, выполняемые ими, сводятся к измерению отклонения электронного луча под действием приложенного напряжения. Для конкретного исследования сигнала необходимо правильно выбрать тип осциллографа, выполнив условия согласования, подключить последний к объекту измерения, заземлить, а затем определить вид синхронизации, ее амплитуду, режим развертки, длительность, коэффициенты отклонения. От правильного учета возможных искажений и погрешностей зависит точность полученных результатов измерения.

Измерение тока в цепях повышенной и высокой частоты. С увеличением частоты точность измерения переменного тока электромагнитными и электродинамическими амперметрами падает. Приборы специального исполнения имеют расширенный диапазон частот (примерно до 8-10 кГц) и используются для измерения токов в мощных цепях.

В маломощных цепях повышенной и высокой частоты ток измеряют выпрямительными, термоэлектрическими, электронными цифровыми амперметрами, аналоговыми и цифровыми электронными вольтметрами на резисторе с известным сопротивлением. Амперметр должен обладать минимальными значениями входных величин - сопротивления, индуктивности и емкости. С увеличением частоты в цепи измерения тока влияние паразитных емкостей возрастает, поэтому для уменьшения погрешностей от токов утечки амперметр следует включать на участке с потенциалами, наиболее близкими к потенциалу земли. Это особенно важно при измерениях на высокой частоте.

В цепях высокой частоты токи преимущественно измеряют термоэлектрическим амперметром (термоамперметром), представляющим собой сочетание термопреобразователя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Термопреобразователь состоит из одной или нескольких термопар и нагревателя. При протекании тока по нагревателю, выполненному из материала с большим удельным сопротивлением (нихрома, константана и др.), выделяется теплота, под действием которой нагревается горячий спай термопары, а на ее холодных концах возникает термо-ЭДС - ЕТ, зависящая от материала проводников термопары и пропорциональная разности температур горячего и холодного ее концов. Значение Ет может составлять около 30-40 мкВ на 1 °С перегрева.

Такой прибор позволяет проводить измерения в цепях как постоянного, так и переменного токов. Шкала прибора градуируется в среднеквад-ратических значениях тока.

Для увеличения чувствительности и более эффективного использования преобразователи соединяют в мостовую схему.

В зависимости от типа преобразователя эти приборы используют для измерения как постоянного, так и переменного токов в диапазоне частот 50 Гц…200 МГц. Но основное назначение термоамперметров - измерение тока в цепях высокой частоты. На высоких частотах проявляются паразитные параметры термопреобразователя и поверхностный эффект в нагревателе. Поэтому каждый прибор рассчитывают на работу до определенной частоты измеряемого тока. При измерениях несинусоидального тока показания термоамперметра будут приближенно соответствовать среднеквадратическому значению тока.

Термоэлектрические амперметры выпускают для измерения токов от 100 мкА до десятков ампер.

Для измерения малых токов до 1 А применяют вакуумные термопреобразователи. Их помещают в специальные стеклянные баллоны, из которых выкачан воздух; при этом благодаря уменьшению потерь на излучение теплоты в окружающую среду чувствительность вакуумных преобразователей повышается. Вакуумные термопреобразователи бывают контактные и бесконтактные.

Для измерения токов 1-50 А используют воздушные термопреобразователи.

К достоинствам термоамперметров относят то, что их показания не зависят от частоты и формы переменного тока, к недостаткам - малую перегрузочную способность (допускаются перегрузки не более чем на 50 %), значительную мощность потребления (на 5 А примерно 1 Вт), ограниченный срок службы, невысокую точность (с изменением температуры изменяется сопротивление нагревателя, с увеличением частоты - паразитные параметры). Классы точности термоэлектрических амперметров - 1,5; 2,5; 4. В термоэлектрических амперметрах, предназначенных для больших токов, в результате выделения значительного количества теплоты подводящие колодки сильно разогреваются. Чтобы устранить влияние перегрева, применяют кроме основной еще и компенсационную термопару, горячий спай которой укреплен на одной из колодок, а термо-ЭДС направлена навстречу термо-ЭДС основной термопары. Термоамперметры различают щитовые и переносные.

Для усиления постоянного тока термопары в термоамперметрах применяют фотоусилители. Термоамперметры с фотоусилителем многопредельны, имеют повышенную способность к перегрузкам, высокую чувствительность и частотный диапазон до 1 МГц

Измерительные преобразователи, предназначенные для изменения измеряемой величины в заданное число раз, принято называть масштабирующими. К ним относят электроизмерительные шунты, делители напряжения, усилители напряжения и тока, измерительные трансформаторы тока и напряжения и др. Рассмотрим подробнее наиболее распространенные из перечисленных преобразователей.

Для измерения больших токов применяют электроизмерительные шунты, которые являются по сути преобразователями тока в напряжение. Таким образом, шунты обеспечивают расширение пределов измерения электроизмерительных приборов по току.

Шунт представляет собой четырехзажимный резистор с нормированными показателями погрешности и номинальными значениями входного тока выходного напряжения.

Сопротивление шунта (рис. 6.6) можно представить выражением

ш= R /(n -1)


где R - сопротивление средства измерения;

n=I1 / I2 - коэффициент шунтирования.


Шунты, как правило, изготовляют из манганина (для слаботочных цепей используют константановую проволоку). В амперметрах до 30 А шунты обычно встраивают в корпус прибора, для измерения больших токов (до 7500 А) применяют наружные шунты. Классы точности шунтов - в диапазоне от 0,02 до 0,5.

Шунты применяются в цепях постоянного тока в основном с магнитоэлектрическими приборами. С приборами других типов они не используются из-за малой чувствительности приборов, что приводит к существенному увеличению размеров шпунтов и потребляемой ими мощности. А на переменном токе возникает дополнительная погрешность от изменения частоты, что объясняется неодинаковым изменением значений сопротивлений шунта и измерительного механизма при изменении частоты напряжения.

Делители напряжения применяются для уменьшения напряжения в определенное число раз. Являются преобразователями напряжения в напряжение (рис.6.7) с номинальным коэффициентом преобразования меньше единицы.

Д = Uv /Ux=R2 /(R1+R2)

Поскольку нагрузка - сопротивление вольтметра, подключенного к делителю напряжения, изменяет коэффициент деления kД, то необходимо выбирать приборы с достаточно высоким входным сопротивлением. В зависимости от рода напряжения делители напряжения могут быть выполнены на элементах, имеющих активное, емкостное или индуктивное сопротивление.


Серийно изготавливаемые делители напряжения обычно выполняют из манганина. Такие преобразователи, например, предназначенные для расширения пределов измерения компенсаторов постоянного тока, имеют класс точности от 0,0005 до 0,01.

Для увеличения верхнего предела измерения вольтметра наиболее часто применяют добавочные резисторы, включаемые последовательно с измерительным прибором (рис. 6.8). Сопротивления добавочного резистора определяются выражением:

Д=Rv ∙ (Ux /Uv -1)

где Ux - измеряемое напряжение;

Uv - падение напряжения на приборе


Добавочные резисторы используются в цепях как постоянного, так и переменного тока (до 20 кГц). Как и шунты, они бывают встраиваемые в корпус прибора и наружные.

Серийно выпускаются калиброванные добавочные резисторы. Они применяются с любым прибором, имеющим указанный номинальный ток. Класс точности таких преобразователей - от 0,01 до 1. Добавочные резисторы применяют для преобразования напряжения до 30 кВ.

Измерительные усилители применяются для усиления амплитуды слабых сигналов в измерительных цепях передачи, обработки и индикации. Важнейшими параметрами усилителей являются коэффициент усиления, отношение сигнал/шум, частотные характеристики, коэффициент гармоник.

Усилители классифицируют по типу усиливаемого сигнала (усилители постоянного напряжения, усилители переменного напряжения), по частоте (усилители НЧ, усилители ВЧ), по ширине полосы пропускания (широкополосный усилитель, селективный или узкополосный усилитель), по типу основной усиливаемой величины (напряжения, тока, мощности) и т.д. Широко распространенным типом усилителя (обычно в интегральном исполнении) является операционный усилитель.

К измерительным усилителям предъявляются следующие требования:

малый отбор мощности от измеряемой цепи (высокое входное сопротивление);

достаточная выходная мощность;

малые отклонения частотной характеристики;

малый дрейф;

высокая помехоустойчивость.

Принципиальной особенностью измерительных усилителей является то, что они выполняются с нормированной погрешностью коэффициента передачи.

Измерительные трансформаторы переменного тока применяются для преобразования больших переменных токов и напряжений в определенное число раз с сохранением их фазы и, таким образом, для расширения пределов измерения приборов и гальванического разделения частей измерительной цепи.

Измерительные трансформаторы состоят из двух изолированных друг от друга обмоток: первичной с числом витков w1 и вторичной - w2 , помещенных на ферромагнитный сердечник (рис. 6.9). В трансформаторах тока, как правило, первичный ток больше вторичного, поэтому у них w1 < w2 В трансформаторах тока с I1H свыше 500 А первичная обмотка может состоять из одного витка в виде шины, проходящей через окно сердечника.

В трансформаторах напряжения первичное напряжение U1 больше вторичного U2 , поэтому у них w1 < w2 . Вторичное номинальное напряжение у стандартных трансформаторов составляет 100 или 100/ В при разных значениях первичного номинального напряжения.

Измерительный трансформатор тока является преобразователем тока в ток, первичную обмотку его включают в измеряемую цепь последовательно.

Измерительные трансформаторы тока принято характеризовать номинальным коэффициентом трансформации:

1H = I1H /I2H

Номинальные коэффициенты трансформации указываются на щитках трансформаторов в виде отношений токов.

Рисунок 6.9 − Схема включения измерительных трансформаторов

Трансформатор тока работает в режиме, близком к режиму короткого замыкания, так как в его вторичную обмотку включаются приборы с малым сопротивлением. Соответственно, режим холостого хода для трансформаторов тока недопустим.

Определение измеряемой величины по номинальному коэффициенту трансформации приводит к погрешностям. Относительная погрешность вследствие неравенства действительного и номинального коэффициентов трансформации носит название токовой:


где I¢1 = kIH × I2 ;= k1× I2 .

Для переносных многопредельных измерительных трансформаторов тока установлены классы точности от 0,01 до 0,2. Изготовляют их на частоту от 25 Гц до 10 кГц. Для промышленной частоты 50 Гц переносные трансформаторы тока выполняют на номинальный вторичный ток 1 и 2 А. Стационарные трансформаторы тока для частоты 50 Гц изготавливают на номинальные первичные токи от 1 до 40 кА и номинальные вторичные токи 1; 2; 2,5; 5 А. Классы точности таких преобразователей - от 0,2 до 10.

Измерительные трансформаторы напряжения работают в режиме, близком к режиму холостого хода. Для них характерна погрешность напряжения


где U¢1 = kUH × U2 ;

U1 = k1×U2 .

Отметим, что во вторичную цепь нужно включать такое количество приборов, чтобы потребляемая мощность не превышала номинальной мощности трансформатора.

Стационарные трансформаторы напряжения изготавливают на номинальные первичные напряжения от 220 В до 35 кВ при вторичном - 150, 100 и 100 В для номинальной нагрузки от 5 до 25 В∙А с cos φ = 0,8…1,0.

Кроме того, у измерительных трансформаторов имеется угловая погрешность, которая образуется из-за неточной передачи фазы первичной величины вторичной величине. Угловая погрешность оказывает влияние на показания приборов, отклонение подвижной части которых зависит от фазового сдвига между токами в цепях этих приборов (например, ваттметров).

Тема 7 Электромеханические приборы и преобразователи

Для измерения электрических величин широко применяются электромеханические приборы и преобразователи. Объектами электрических измерений являются все электрические и магнитные величины: сила тока, напряжение, мощность, энергия, магнитный поток и т.д. Определение значений этих величин необходимо для оценки работы всех электротехнических устройств, чем и определяется исключительная важность электромеханических приборов. Приборы этих систем часто входят в состав и других, более сложных, средств измерений.

По физическому принципу, положенному в основу построения и конструктивному исполнению, электротехнические приборы относятся к группе аналоговых средств измерения, показания которых являются непрерывной функцией измеряемой величины.

Любой прибор непосредственного отсчета состоит из измерительной цепи, измерительного механизма и вспомогательных элементов. Измерительная цепь служит для преобразования измеряемой величины в другую, непосредственно воздействующую на измерительный механизм. В измерительном механизме электрическая энергия преобразуется в механическую энергию перемещения подвижной части, обычно в угловое перемещение. К вспомогательным элементам относятся стрелка, шкала, корпус прибора и другие устройства.

По принципу действия и конструкции электромеханические измерительные преобразователи делятся на магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, ферродинамические, электростатические, индукционные, термоэлектрические. Рассмотрим подробнее некоторые типы измерительных механизмов.

Принцип действия магнитоэлектрического измерительного механизма (рис.7.1) основан на силовом взаимодействии постоянного магнитного поля и проводника с постоянным током.

На концах постоянного магнита 1 закреплены полюсные наконечники 2, между которыми помещен неподвижный цилиндр 3. Полюсные наконечники и неподвижный цилиндр выполнены из магнитомягкого материала. Такая конструкция магнитной системы позволяет получить в зазоре между полюсными наконечниками 2 и цилиндром 3 равномерное радиальное постоянное магнитное поле.

Рисунок 7.1 − Конструкция магнитоэлектрического преобразователя

- устройство установки нулевого положения указателя-стрелки;

- указатель-стрелка;

- балансир;

- шкала.

В результате взаимодействия магнитного поля в зазоре с током в катушке создается вращающий момент, под действием которого подвижная катушка поворачивается на полуосях 5. Отклонение катушки будет продолжаться до тех пор, пока вращающий момент Мвр не уравновесится противо-действующим моментом Мпр. При этом стрелка 8 отклонится на угол α, пропорциональный току в катушке.

Вращающий момент измерительного механизма определяется в соответствии с законом электромагнитной силы:

Мвр = Fэм d = В S ω I

где Fэм- электромагнитная сила; В - индукция в зазоре; d, l - ширина и длина катушки; S - площадь катушки; ω - число витков катушки; I - ток в катушке.

К достоинствам этих преобразователей следует отнести: высокую чувствительность, малое собственное потребление мощности, достаточно высокую точность, равномерную шкалу. Класс точности выпускаемых магнитоэлектрических приборов составляет 0,1…1,0.

Недостатки приборов рассмотренной системы связаны со сложностью изготовления и низкой перегрузочной способностью.

Магнитоэлектрические приборы получили распространение в качестве амперметров и вольтметров постоянного тока с пределами измерений от долей микроампера до сотен ампер и от долей вольта до сотен вольт. Магнитоэлектрические механизмы пригодны только для измерений на постоянном токе, для работы в цепях переменного тока они комплектуюся полупроводниковыми выпрямителями.

Преобразователи этой системы также широко применяют в комбинированных приборах, представляющих собой универсальные измерительные приборы для измерения постоянного и переменного тока и напряжения, омического сопротивления, иногда электрической емкости.

Тема 8 Электронные аналоговые измерительные приборы

Электронные аналоговые измерительные приборы и преобразователи представляют собой большую группу средств измерений, применяющихся для измерения всех электрических величин: силы тока, напряжения, активного сопротивления, емкости, частоты и фазы переменного тока и т.д.

Применение электронных устройств в этих средствах измерений позволяет получить высокий уровень их метрологических характеристик: широкий диапазон измерений, малую потребляемую мощность от измеряемой цепи, высокую чувствительность и т.п.

В настоящее время широкое распространение получили электронные аналоговые осциллографы, вольтметры, омметры, измерительные генераторы сигналов и др. В то же время они вытесняются цифровыми приборами соответствующего назначения, что объясняется относительной простотой преобразования измеряемых параметров в кодовый цифровой сигнал, высокой надежностью и малой погрешностью цифровых средств измерений.

Электронно-лучевые осциллографы (далее - осциллографы) предназначены для визуального наблюдения, измерения и регистрации электрических сигналов. Возможность наблюдения изменяющихся во времени сигналов делает осциллографы чрезвычайно удобными для определения амплитудных и временных параметров наблюдаемых сигналов.

В настоящее время выпускается большое разнообразие осциллографов, различающихся назначением, характеристиками и функциональными возможностями. По назначению и принципу действия принято различать универсальные, стробоскопические, запоминающие и специальные осциллографы.

Универсальные (условная индексация в обозначении типономинала осциллографа, согласно советского ГОСТ - С1) - наиболее распространенная группа приборов. Они служат для исследования непрерывных и импульсных сигналов.

Стробоскопические (С7) - используются для изучения скоротечных процессов нано- и микросекундной длительности (СВЧ диапазон).

Запоминающие (С8) - применяются для детального исследования однократных, редко повторяющихся и периодических сигналов, изображения которых требуется запомнить в течение длительного времени. В аналоговых запоминающих устройствах для записи сигнала используются электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) специальной конструкции. В цифровых запоминающих осциллографах исследуемый сигнал преобразуется в цифровую форму, а затем записывается в блок памяти и может быть многократно воспроизведен на экране.

Специальные (С9) - содержат специфические узлы (специальные усилители, преобразователи, вычислители и др.), необходимые для проведения конкретных измерений, например, в телевизионной аппаратуре.

Большинство осциллографов реального времени построено по структурной схеме, приведенной на рис.8.1.

Основным элементом конструкции является ЭЛТ, внутри которой формируется узкий пучок электронов - электронный луч. Источником электронов служит катод косвенного накала.

Рисунок 8.1 − Структурная схема универсального электронно-лучевого осциллографа

Эмиттируемые катодом электроны ускоряются, фокусируются и, попадая на слой люминофора на передней рабочей части экрана ЭЛТ, возбуждают его свечение в видимой части спектра.

Для визуального наблюдения исследуемого сигнала экран трубки покрывают одним или несколькими слоями люминофора, состав которого определяет яркость, окраску свечения и продолжительность послесвечения экрана. Современное развитие техники люминесцентных покрытий предлагает люминофоры, позволяющие выбрать практически любой цвет свечения. Поверх люминофора часто наносят тончайший слой металла (алюминия), обеспечивающего светоотражающую способность и, таким образом, дополнительно повышающего яркость свечения экрана.

45

Поскольку осциллограммы обычно рассматривают визуально, то целесообразно применять такой цвет, у которого энергетический максимум спектра по возможности совпадал с максимумом спектральной чувствительности глаза. Самым выгодным с этой точки зрения является экран с зеленым либо желтым свечением, несколько хуже человек воспринимает оранжевый, голубой и синий цвета. Для наблюдения однократных или периодических медленно протекающих процессов используют люминофоры с относительно большим временем послесвечения или запоминающие трубки специальной конструкции.

Величиной скорости потока электронов луча (от этого зависит яркость свечения точки на экране), площадью его поперечного сечения в точке соприкосновения с люминофором (размеры светящейся точки) и отклонением луча от центра экрана можно управлять изменением напряжений на соответствующих электродах ЭЛТ.

В электронно-лучевых осциллографах, как правило, применяют ЭЛТ с электростатическим отклонением луча. Для этого в ней непосредственно за ускоряющими анодами взаимно перпендикулярно располагают две пары пластин. Этим достигается перемещение луча по экрану в прямоугольной системе координат, что удобно и для управления лучом и при отсчете параметров исследуемой осциллограммы. Исходя из этого, напряжение, соответствующее измеряемой величине, обычно подают на вертикальные отклоняющие пластины - сигнальные (пластины расположены в двух горизонтальных параллельных плоскостях), а на другую пару пластин, временных, подают напряжение, которое равномерно перемещает луч в горизонтальном направлении (расположены в двух вертикальных параллельных плоскостях).

Работа пластин характеризуется величиной линейного отклонения луча на экране в мм при приложении к ним отклоняющего напряжения 1 В. Эта величина называется чувствительностью пластин к отклонению. Поскольку пространственное расположение пар пластин в ЭЛТ различно, чувствительность к отклонению горизонтальных и вертикальных пластин различная.

Поток электронов, испускаемый катодом ЭЛТ, обладает ничтожно малой инерционностью и поэтому мгновенно изменяет свое направление под действием электростатического поля отклоняющих пластин. Это свойство, в основном, и послужило причиной широкого применения электронно-лучевых осциллографов в качестве измерительных приборов.

Напряжение на вертикальных отклоняющих пластинах, соответствующее мгновенному значению амплитуды входного сигнала ("Вход Y"), формируется каналом вертикального отклонения. А на горизонтальные отклоняющие пластины подают импульсное напряжение специальной формы, которое смещает луч по экрану слева направо (с точки позиции наблюдателя), формируя ось времени. В результате луч на экране рисует кривую, воспроизводящую изменения исследуемого сигнала во времени.

В зависимости от назначения и конструкции ЭЛТ, минимальная величина отклоняющего напряжения колеблется в пределах от 10 до 100 В. Поэтому при работе с меньшими напряжениями сигналов возникает необходимость в их усилении. В общих чертах усилитель вертикального отклонения должен удовлетворять следующим требованиям:

иметь достаточно большой коэффициент усиления;

обладать линейной АЧХ во всем рабочем диапазоне частот осциллографа;

не вносить заметных фазовых сдвигов гармонических составляющих сигнала;

- изменения напряжения на вертикальных отклоняющих пластинах всегда должны быть пропорциональны изменениям напряжения входного сигнала.

Полоса пропускания выходного усилителя должна превышать полосу пропускания тракта вертикального отклонения в 1,6...1,7 раза. В осциллографах с полосой пропускания не более 10 МГц наиболее употребительной стала конструкция двух однотактных усилителей с соединенными цепями эмиттеров. Отрицательная обратная связь по току в эмиттерных цепях транзисторов позволяет уменьшить нелинейные искажения и корректировать частотную характеристику в области средних и высоких частот полосы пропускания. Современный уровень развития интегральной схемотехники позволяет строить усилители с полосой пропускания до нескольких сотен МГц.

Одним из важнейших параметров усилителя вертикального отклонения является его чувствительность. Она соответствует минимальному значению коэффициента отклонения луча на экране: мВ/дел. Ограничение повышения чувствительности связано с уровнями внутренних шумов входных устройств (аттенюатор и входные узлы усилителя вертикального отклонения) и внешних наводок.

Входной аттенюатор служит для регулирования амплитуды сигнала на экране осциллографа. Его выполняют по схеме частотно-компенсированного делителя.

Для наблюдения переднего фронта коротких импульсов на выходе предусилителя включена линия задержки, которая обеспечивает задержку исследуемого сигнала на время, затрачиваемое генератором развертки на образование начала рабочего хода.

Рисунок 8.2

Для удобного визуального наблюдения осциллограммы на экране к усилителю подсвета ("Вход Z") подают специальные импульсы. Они обрабатываются усилителем-инвертором и подаются на модулятор ЭЛТ во время прямого хода, обеспечивая повышение яркости свечения луча в этот период развертки.

Напряжение, необходимое для создания горизонтальной (временной) развертки, может поступать на пластины ЭЛТ либо от внутреннего генератора (генератор развертки), либо от внешних источников периодических колебаний через специальный разъем ("Вход X"). Форма сигнала, используемого для создания горизонтальной развертки, может быть любой в зависимости от цели измерений. Однако для обеспечения равномерного перемещения луча по экрану необходимо, чтобы развертывающее напряжение изменялось линейно во времени. Характерный для осциллографов вид развертывающего напряжения представлен на рис.8.2: τп - прямой ход, интервал времени, за который луч пробегает всю рабочую часть экрана в горизонтальном направлении; τо - длительность обратного хода; τбл - длительность блокировки, интервал времени между моментом окончания обратного хода предыдущего периода и началом прямого хода следующего периода; Tр - период повторения импульсов; U0 - начальный уровень напряжения развертки; Um - амплитуда напряжения развертки.


В большинстве конструкций осциллографов внутренний задающий генератор выполнен по схеме интегратора Миллера. Структурно такое звено представляет собой усилитель постоянного тока, охваченный глубокой отрицательной обратной связью через конденсатор. Если на вход интегратора подать прямоугольный импульс напряжения длительностью τи, то на выходе получим линейный пилообразный импульс практически той же длительности (рис.8.3).

Неподвижное изображение исследуемого периодического процесса можно получить лишь в том случае, если частота развертывающего напряжения равна или в целое число раз меньше частоты исследуемого сигнала. Поскольку такое соотношение без специальных регулировок редко реализуется, изображение на экране при подаче сигнала равномерно перемещается вправо или влево («плывет»). Устойчивости и четкости изображения достигают регулировкой частоты развертки - синхронизируют два колебательных процесса.

Для обеспечения синхронизации из канала вертикального отклонения на генератор развертки подают часть сигнала. Такая синхронизация называется внутренней. При внешней синхронизации сигнал подают в канал горизонтального отклонения непосредственно через разъем "Вход X". В осциллографах предусматривают еще один вариант синхронизации - от сети (точнее, от цепи переменного тока вторичной обмотки трансформатора питания с частотой сети и амплитудой 1 В). Такой вид синхронизации легко реализуется и необходим в работе по исследованию аппаратуры, в которой за основу длительностей периодических процессов выбраны частота сети и ее гармоники (магнитофоны, телевизоры, видеомагнитофоны и другие устройства).

Различают три режима запуска развертки луча - автоколебательный, ждущий и однократный. В автоколебательном режиме задающий генератор развертывающего устройства работает постоянно и сигнал синхронизирующего импульса к нему поступает периодически. В этом случае очень важно соблюдение условия, при котором длительность прямого хода развертки больше времени периода исследуемого сигнала, иначе на экране будет воспроизводиться только часть осциллограммы сигнала.

Режим ждущей развертки характеризуется тем, что импульс развертки вырабатывается в момент поступления исследуемого сигнала на генератор блока развертки.

В режиме однократного запуска работа генератора развертки аналогична работе рассмотренных выше режимов. Однако после каждого цикла развертки последующие запускающие импульсы блокируются до тех пор, пока не будет нажата кнопка "Готов".

Верхний предел частотного диапазона исследуемых колебаний определяется минимально возможной для данного типа осциллографа длительностью прямого хода τп. В осциллографах длительность прямого хода задают в виде коэффициентов развертки Kр = τп / l, где l - длина отрезка горизонтальной оси, соответствующая длительности τп. Численные значения коэффициентов указывают на лицевой панели прибора. Скорость развертки выбирают переключателем "ВРЕМЯ/дел" и переключателем, изменяющим коэффициент передачи усилителя горизонтального отклонения.

В качестве примера рассмотрим техническую характеристику современного универсального осциллографа С1-127 компании БЕЛВАР (рис.8.4):

Число каналов.…………………………………………..……….…2

Полоса пропускания, МГц……………………………………..…..50

Входное сопротивление, МОм…………………………….….…..….1

Входная емкость, пФ……………………………………….………..25

Коэффициент отклонения, В/дел………………………..…..10-3…5

Коэффициент развертки, мкс/дел…………………....0,005…2×105

Погрешность ……………………………..±3 % (5 мВ/дел…5 В/дел)

±4 % (1 мВ/дел…2 мВ/дел)

Диапазон рабочих температур…………………….….-30…+50 0С

Потребляемая мощность……………………..50 В ∙А (сеть 220 В)

Вт (от источника постоянного тока 27 В)

Размеры рабочей части экрана, мм……………….….……..60×80

Масса, кг……………………………………………..……………….….6

Тема 9 Цифровые измерительные приборы

Цифровыми приборами называют приборы, вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации, показания которых представляются в цифровой форме. Как ранее отмечалось, цифровой прибор включает в себя обязательные функциональные узлы: аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровое отсчетное устройство (ЦОУ). АЦП выдает код в соответствии со значением измеряемой величины, а ЦОУ отражает это значение в цифровой форме. В настоящее время промышленность выпускает большой ассортимент АЦП и ЦАП в виде интегральных микросхем. В дальнейшем будем оперировать термином цифровое измерительное устройство (ЦИУ), под которым понимается любое из указанных выше средств измерений.

По способу аналого-цифрового преобразования выделяют следующие основные методы: а) метод последовательного счета (интегрирования, время-импульсного преобразования), при котором происходит последовательное во времени сравнение измеряемой величины X с известной квантованной величиной Хк, изменяющейся во времени скачками, причем каждый скачок соответствует шагу квантования по уровню (рис.9.1).


Число ступеней, при котором наступает равенство Хк(tи) = X (с некоторой погрешностью), равно номеру отождествляемого уровня квантования. В процессе сравнения образуется единичный код, соответствующий уровню отождествляемого уровня квантования.

Метод последовательного приближения (поразрядного уравновешивания, кодово-импульсного преобразования), при котором происходит последовательное во времени сравнение измеряемой величины X с известной квантованной величиной Хк, изменяющейся во времени скачками по определенному правилу (исключая единичную систему счисления).

Значение известной величины, при которой происходит равенство Хк(tи)=X, соответствует номеру отождествляемого уровня квантования (рис.9.2).

в) метод считывания (параллельного преобразования), при котором происходит одновременное сравнение измеряемой величины X с известными величинами Хк1, Хк2,..., Хкi, значения которых равны уровням квантования (рис.9.3).


Известная величина, равная измеряемой Хкi = Х(tи), соответствует номеру отождествляемого уровня квантования, на основании которого образуется код.


В соответствии с методами преобразования различают и группы ЦИУ - последовательного счета (интегрирующие, время-импульсные), последо-вательного приближения (поразрядного уравновешивания, кодово-импульсные), считывания (параллельного преобразования). Выделяют также ЦИУ, в которых применяется комбинация из рассмотренных способов преобразования.

К основным характеристикам ЦИУ относят статические характеристики преобразования, статические погрешности, диапазон измерений, число разрядов и вид кода, разрешающую способность, входное сопротивление, помехозащищенность, надежность и др. Рассмотрим некоторые из характеристик.

Входное сопротивление - сопротивление входной цепи ЦИУ. Оно влияет на потребляемую от исследуемого объекта мощность и, в конечном итоге, на результат измерения. Чтобы влияние было минимальным, например - у вольтметров, входное сопротивление делают по возможности большим.

У современных цифровых вольтметров постоянного тока на некоторых поддиапазонах входное сопротивление достигает 1010 Ом и более, а при использовании входного делителя - 106...107 Ом. Входная цепь ЦИУ может являться источником тока. Поэтому для ЦИУ нормируют предельное значение входного тока. Для ЦИУ переменного тока эквивалентную схему входной цепи принимают как параллельно включенные резистор и конденсатор, сопротивление и емкость которых указывают отдельно.

Помехозащищенность - способность ЦИУ к ослаблению действия помех. Помеха - величина, вызывающая нежелательное искажающее воздействие на измерения. Воздействие помехи невозможно или трудно оценить и им управлять. Помехи разделяют на помехи нормального и общего вида. Помехи нормального вида (например, наводки на соединительные провода) - это помехи, эквивалентный генератор которых Uп′ включается последовательно с источником измеряемого напряжения (рис.9.4). Помеха общего вида возникает из-за разности потенциалов между источником измеряемого напряжения Uх и точкой заземления прибора (эквивалентный генератор Uп′′ с внутренним сопротивлением Ri на рис.9.4).


Для уменьшения действия помех нормального вида (главным образом помехи от переменного напряжения промышленной частоты - 50 Гц) применяют фильтры и специальные принципы действия ЦИУ, например, с интегрированием входного сигнала.

Для борьбы с помехами общего вида электрическую схему и конструкцию прибора выбирают так, чтобы сопротивление контура для тока помехи через Rвх было максимальным. Это достигается, например, изолированием входной цепи прибора от его корпуса.

Ослабление действия помех в цифровых вольтметрах постоянного тока характеризуют коэффициентом подавления помехи


где UП - напряжение источника помехи;

DU - изменение показаний прибора под действием помехи.

Современные ЦИП, выпускаемые для измерения различных физических величин, имеют высокие метрологические характеристики, как правило, превосходящие характеристики соответствующих аналоговых средств измерений. Это обусловило широкое применение ЦИУ.

К достоинствам ЦИП относят высокое быстродействие, большую точность измерений при полной автоматизации процесса измерений, удобство отсчета и регистрации результатов измерений, возможность сопряжения с вычислительными комплексами и устройствами, возможность дистанционной передачи результатов измерения без потерь точности и т.д.

В настоящее время в ЦИУ широко применяют большие интегральные схемы (БИС) микропроцессоров, оперативных и постоянных запоминающих устройств (ОЗУ и ПЗУ) и других элементов микропроцессорной техники.

Область применения ЦИУ постоянно расширяется. Они находят применение как в лабораторных, так и в производственных условиях для измерения различных электрических и неэлектрических величин: напряжения постоянного тока, частоты, временных интервалов, температуры, линейного и углового перемещения, давления и т.д.

В цифровых вольтметрах (ЦВ) в качестве отсчетного устройства используются цифровые знакосинтезирующие индикаторы на основе светодиодных матриц (например, В7-21А) и жидкокристаллических индикаторов ЖКИ (пример - М830В фирмы Mastech). Дорогие модели мультиметров и скопметров (например, фирмы Fluke) могут иметь цветной ЖКИ-дисплей. Индикаторное табло (дисплей), помимо непосредственного отражения результата измерений, как правило, индицирует также сигнал перегрузки, знак полярности, род и диапазон измеряемой величины. В целях расширения показаний поддиапазона при измерении физической величины, значение которой несколько превышает конечное значение установленного предела измерений, вводят дополнительный разряд с неполной индикацией. Широкое использование в качестве элементной основы интегральных микросхем позволяет создавать на базе ЦВ многофункциональные приборы - мультиметры, способные производить измерения не только тока и напряжения, но и сопротивления, емкости, индуктивности. Цифровые мультиметры в настоящее время являются одними из самых распространенных электроизмерительных приборов.

Поскольку обязательным функциональным элементом ЦВ является АЦП, цифровые вольтметры различают по методу аналого-цифрового преобразования: последовательного счета (с время-импульсным преобразованием, с преобразованием напряжения в частоту - интегрирующие и двойного интегрирования), последовательного приближения (поразрядного кодирования или с кодово-импульсным преобразованием) и др. Наибольшее распространение получили ЦВ интегрирующие и двойного интегрирования.

Работа интегрирующих вольтметров непрерывного интегрирования основана на методе преобразования напряжения в частоту. Частота повторений импульсов, пропорциональная входному напряжению, измеряется электронно-счетным частотомером.

Погрешность измерений цифровых вольтметров определяется по формуле

δ = ± [с + d∙(Uк/Uп - 1)]

где c и d - постоянные числа, характеризующие класс точности вольтметра; Uк - конечное значение установленного предела измерений; Uп - показания прибора.

Метод время-импульсного преобразования в сочетании с двойным интегрированием позволяет эффективно ослабить влияние помех, измерить напряжение обеих полярностей, получить входное сопротивление, равное единицам ГОм, и малую погрешность измерения без предъявления особых требований к постоянству линейно изменяющегося напряжения.

на рис.9.5, а представлена структурная схема цифрового вольтметра двойного интегрирования.

Принцип действия прибора основан на преобразовании измеряемой величины в пропорциональный ей интервал времени с последующим преобразованием этого интервала в дискретную форму и в цифровой код.

Рисунок 9.5

Управляющее устройство УУ задает цикл измерений Тц и вырабатывает импульс первого такта длительностью Т1 (рис.9.5, б). В течение интервала времени Т1 электронный ключ SA находится в исходном состоянии и измеряемое напряжение Uх через входное устройство ВУ поступает к интегратору и сообщает конденсатору С количество электричества


В момент окончания импульса Т1 УУ открывает ключ SD и на счетчик Сч начинают поступать импульсы от генератора Г. Одновременно ключ SA перебрасывается во второе устойчивое состояние и к интегратору поступает опорное напряжение UK обратной полярности. Конденсатор в течение интервала времени Тх разряжается до исходного состояния


В момент окончания разряда конденсатора напряжения на обоих входах УС оказываются равными нулю, УС дает команду на размыкание SD, и поступление импульсов на счетчик прекращается. Их количество определяет Тх. Поскольку количество электричества при заряде и разряде конденсатора одинаково, то получаем


интервал времени Тх не зависит от постоянной времени интегратора, т.е. для осуществления метода двойного интегрирования не требуются цепи с высокостабильными элементами. Длительность первого такта интегрирования Т1, и значение опорного напряжения UK могут поддерживаться постоянными с высокой точностью, и поэтому погрешность преобразования напряжения во временной интервал при этом методе незначительна.

Дальнейшее развитие цифровых вольтметров связано с построением их на основе микропроцессорных устройств. Введение микропроцессоров позволяет алгоритмизировать измерительный процесс, что значительно расширяет технические и функциональные возможности приборов.

Программируемые ЦВ, помимо автоматической установки пределов измерений, способны также выполнять:

первичную обработку данных (определение параметров исследуемого сигнала, величину отклонений и т. п.);

хранить значения измеренных параметров в блоке памяти;

производить различные операции с измеренными величинами (сравнение, сложение, умножение на константу);

производить автокалибровку;

управлять работой функциональных узлов прибора, производить их диагностику с индикацией состояний;

регистрировать и выводить данные в нужной форме и т.п.

В качестве примера рассмотрим характеристики цифрового универсального вольтметра серии В7-73 Минского приборостроительного завода (рис.9.6):

Индикация: ЖКИ с повышенной яркостью - 5 и 1/2 разряда.

Хранение до 200 результатов измерений во внутреннем ОЗУ.

Математическая обработка результатов измерений по 10 программам, в том числе измерение температуры и мощности, тестирование диодов и т.д.

Интерфейсы IEEE 488 (В7-73/1), RS-232 (В7-73/2).

Диапазон измерения постоянного напряжения - 10 мкВ…1000 В (с погрешностью ± 0,01 %).

Диапазон измерения переменного напряжения (от 20 Гц до 100 кГц) - 1 мВ…700 В (с погрешностью ± 0,3 %).

Диапазон измерения постоянного тока - 100 мкА…2 А (с погрешностью ± 0,1 %).

Диапазон измерения переменного тока (от 20 Гц до 5 кГц) - 10 мА…2 А (с погрешностью ± 0,5 %).

Диапазон измерения сопротивления - 0,1 Ом…2 ГОм (с погрешностью 0,06/0,3).

Диапазон измерения частоты - 20 Гц…1 МГц.(с погрешностью ± 0,02 %).

Потребляемая мощность - 10 В∙А.

Масса - 3 кг.

Тема 10 Измерение неэлектрических величин

Комплексная автоматизация технологических процессов предполагает контроль и измерение различных физических величин, характеризующих состояние объекта управления (регулирования) - механических, тепловых, оптических и других неэлектрических. Преимущества же электроизмерительных приборов и преобразователей очевидны. Этим обстоятельством объясняется широкое распространение первичных измерительных преобразователей (датчиков), предназначенных для измерений неэлектрических величин и преобразования их в электрические.

Первичные измерительные преобразователи чрезвычайно разнообразны по принципу действия, устройству, видам входного и выходного сигналов, функциональному назначению, метрологическим и эксплуатационным характеристикам.

В зависимости от выходного параметра первичные измерительные преобразователи разделяют на параметрические и генераторные. Их классифицируют также по физической природе явлений, лежащих в основе их работы, по принципу действия и др.

Выходной величиной в параметрических преобразователях является параметр электрической цепи - электрическое сопротивление или его составляющие (R, L, C). Для использования параметрического преобразователя необходим дополнительный источник питания, обеспечивающий образование выходного сигнала преобразователя.

К наиболее часто применяемым параметрическим преобразователям относятся реостатные, тензочувствительные (тензорезисторы), термочувствительные (терморезисторы или термометры сопротивления), индуктивные, емкостные, оптоэлектронные (фоторезисторы, фотодиоды и др.), ионизационные и др.

Принцип действия реостатных преобразователей основан на изменении электрического сопротивления проводника под влиянием входной величины механического перемещения. Реостатный преобразователь (рис.10.1) представляет собой реостат, подвижный контакт которого перемешается под действием измеряемой неэлектрической величины. Обмотку преобразователя изготавливают из сплавов (платина с иридием, константан, нихром, фехраль и др.).

Подобные преобразователи обладают статической характеристикой преобразования со ступенчатым характером, поскольку сопротивление измеряется скачками, равными сопротивлению одного витка, что вызывает погрешность


где DR - сопротивление одного витка;

R - полное сопротивление преобразователя.

Рисунок 10.1 − Реостатные преобразователи для угловых и линейных

перемещений

Эта погрешность отсутствует в реохордных преобразователях, в которых щетка скользит вдоль оси проволоки.

Для получения нелинейной функции преобразования применяют функциональные реостатные преобразователи. Нужный характер преобразования часто достигается профилированием каркаса преобразователя (рис.10.1, в).

Достоинства реостатного преобразователя: относительная простота конструкции, возможность получения высокой точности преобразования и значительных по уровню выходных сигналов. Основной недостаток - наличие скользящего контакта.

Принцип действия индуктивных преобразователей основан на зависимости индуктивности или взаимной индуктивности обмоток на магнитопроводе от положения, геометрических размеров и магнитного состояния элементов их магнитной цепи (рис.10.2).

На рис. 10.2 схематически показаны различные типы индуктивных преобразователей. Индуктивный преобразователь (рис. 10.2, а) с переменной длиной воздушного зазора δ характеризуется нелинейной зависимостью L = f (δ). Такой преобразователь обычно применяют при перемещениях якоря на 0,01-5 мм. Значительно меньшей чувствительностью, но линейной зависимостью L = f (s) отличаются преобразователи с переменным сечением воздушного зазора (рис. 10.2, б). Эти преобразователи используют при перемещениях до 10…15 мм.

Широко распространены индуктивные дифференциальные преобразователи (рис. 10.2, в), в которых под воздействием измеряемой величины одновременно и притом с разными знаками изменяются два зазора электромагнитов. Дифференциальные преобразователи в сочетании с соответствующей измерительной цепью (обычно мостовой) имеют более высокую чувствительность, меньшую нелинейность характеристики преобразования, испытывают меньшее влияние внешних факторов и сниженное результирующее усилие на якорь со стороны электромагнита, чем недифференциальные преобразователи.

погрешность мост метрологический измерительный

Рисунок 10.2 − Различные конструкции индуктивных преобразователей

На рис. 10.2, г показана схема включения дифференциального индуктивного преобразователя, у которого выходными величинами являются взаимные индуктивности. Такие преобразователи называют взаимно-индуктивными или трансформаторными. При питании первичной обмотки переменным током и при симметричном положении якоря относительно электромагнитов ЭДС на выходных зажимах равна нулю. При перемещении якоря на выходных зажимах появляется ЭДС.

Для преобразования сравнительно больших перемещений (до 50…100 мм) применяют трансформаторные преобразователи с незамкнутой магнитной цепью (рис. 10.2, д).

В горной промышленности получили распространение магнитоупругие преобразователи (рис. 10.2, е), действие которых основано на использовании эффекта зависимости магнитной проницаемости (магнитного сопротивления цепи) от величины механического воздействия (сжатия или растяжения) на ферромагнитный сердечник преобразователя. Различают магнитоупругие датчики дроссельного и трансформаторного типов. Последние могут контролировать только усилие сжатия, однако обладают большей чувствительностью.

Достоинствами индуктивных и магнитоупругих преобразователей являются простота и надежность в работе, значительная мощность выходных сигналов. Основными недостатками - обратное воздействие преобразователя на исследуемый объект (воздействие электромагнита на якорь) и влияние инерции якоря на частотные характеристики прибора.

Принцип действия емкостных преобразователей основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от значения диэлектрической проницаемости среды между ними. Они представляют собой конденсаторы различных конструкций, преобразующие механические линейные или угловые перемещения, а также давление, влажность или уровень среды в изменение электрической емкости.

Из курса физики известно, что емкость плоского конденсатора


где  - диэлектрическая постоянная;

 - относительная диэлектрическая проницаемость между обкладками;

S - активная площадь обкладок;

d - расстояние между обкладками.

Исходя из этого выражения можно утверждать, что преобразователь может быть построен с использованием зависимостей C = f1(), C =f2(S), C = f3 (δ).

Преобразователь на рис. 10.3, а представляет собой конденсатор, одна пластина которого перемещается под действием измеряемой величины x относительно неподвижной пластины. Статическая характеристика преобразования С=f(δ) нелинейна. Чувствительность преобразователя возрастает с уменьшением расстояния δ. Такие преобразователи используют для измерения малых перемещений (менее 1 мм).

в)

Рисунок 10.3

Применяют также дифференциальные преобразователи (рис. 10.3, б), у которых имеется одна подвижная и две неподвижные пластины. При воздействии измеряемой величины х у этих преобразователей одновременно изменяются емкости С1 и С2. Такие преобразователи используют для измерения сравнительно больших линейных (более 1 мм) и угловых перемещений. В этих преобразователях легко получить требуемую характеристику преобразования путем профилирования пластин.

Преобразователи с использованием зависимости C = f1 () применяют для измерения уровня жидкостей, влажности веществ, толщины изделий из диэлектриков и т. п. Для примера (рис. 10.3, в) приведем устройство емкостного уровнемера. Емкость между электродами, опущенными в сосуд, зависит от уровня жидкости, так как изменение уровня ведет к изменению средней диэлектрической проницаемости среды между электродами. Изменением конфигурации пластин можно получить желаемый характер зависимости показаний прибора от объема (массы) жидкости.

Для измерения выходного параметра емкостных преобразователей применяют мостовые цепи и цепи с использованием резонансных контуров. Последние позволяют создавать приборы с высокой чувствительностью, способные реагировать на перемещения порядка 10-7 мм. Цепи с емкостными преобразователями обычно питают током повышенной частоты (до десятков мегагерц), что вызвано желанием увеличить сигнал, попадающий в измерительный прибор, и необходимостью уменьшить шунтирующее действие сопротивления изоляции.

Достоинства емкостных датчиков: простота конструкции, малые размеры и масса, высокая чувствительность и малая инерционность. Основные недостатки - необходимость в источниках питания повышенной частоты и вредное влияние паразитных емкостей, температуры, влажности и внешних электрических полей.

Полупроводниковые фоточувствительные преобразователи в качестве чувствительного элемента имеют светочувствительный слой, нанесенный на подложку (стеклянную пластинку). Сопротивление этого слоя обратно пропорционально интенсивности светового потока или мощности источника освещения. Фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы обладают сравнительно высокой стабильностью, хорошей чувствительностью, но их применение ограничивается при наличии пыли, например угольной, препятствующей нормальной работе.

Действие ионизационных преобразователей основано на явлении ионизации газа или люминесценции некоторых веществ под действием ионизирующего излучения. В качестве ионизирующих агентов применяют a-, b- и g-лучи радиоактивных веществ, иногда рентгеновские лучи и нейтронное излучение. Выбор типа ионизационного преобразователя зависит во многом от ионизирующего излучения. Гамма-лучи (электромагнитные колебания малой длины волны - 10-8…10-11 см) обладают большой проникающей способностью. Проходя через вещество лучи ослабляются

J = J0 ∙×exp (-m d)

где J - интенсивность g-лучей, прошедших через вещество (тело);

J0 - интенсивность поступающих в вещество (тело) g-лучей;

m - коэффициент ослабления;

d - толщина слоя вещества (тела).

Таким образом, с помощью g-лучей либо другого ионизирующего излучения можно измерять толщину слоя изделий, плотность жидкостей и газов и др.

Конструкции ионизационных камер и счетчиков разнообразны и зависят от вида излучения. В качестве источников ионизирующего излучения обычно используют кобальт-60, стронций-90, плутоний-239 и др.

Преимущества ионизационных преобразователей - в возможности бесконтактных измерений в агрессивных или взрывоопасных средах, средах, имеющих высокою температуру или находящихся под большим давлением. Основной недостаток: необходимость применения биологической защиты при высокой активности источника излучения.

В генераторных преобразователях выходной величиной является ЭДС или заряд, функционально связанный с измеряемой неэлектрической величиной. К генераторным преобразователям относят термоэлектрические преобразователи (термопары), пьезопреобразователи, тахогенераторы и др.

Тахогенераторы предназначены для измерения угловой скорости вращающихся объектов. Ротор тахогенераторов механически связывают с валом испытуемого электродвигателя или исполнительного механизма, а об угловой скорости w судят по выходной ЭДС генератора.

Из тахогенераторов наибольшее распространение получили тахогенераторы постоянного тока, выпускаемые с постоянными магнитами либо с независимым возбуждением. Область их применения весьма разнообразна: прецизионные тахогенераторы постоянного тока используются в авиации, судостроении, станкостроении, металлургической и других отраслях промышленности. К преимуществам этих датчиков относят достаточно высокую точность и наличие выходного сигнала постоянного тока, удобного для последующей обработки. Основным недостатком этих тахогенераторов является наличие коллекторно-щеточного узла, снижающего надежность работы и долговечность преобразователя.

Синхронные тахогенераторы имеют малое внутреннее сопротивление, что позволяет получить от них достаточно большие мощности. При изменении частоты вращения ротора в синхронных машинах изменяется не только амплитуда выходного напряжения, но и его частота. Благодаря механической устойчивости синхронные тахогенераторы нашли применение в трамваях, локомотивах, крановом хозяйстве и др.

Асинхронные тахогенераторы по конструкции подобны двухфазным асинхронным двигателям. Их роторы обычно выполняют в виде тонкостенного металлического цилиндра. Две обмотки статора тахогенератора сдвинуты на 90° относительно друг друга. К одной обмотке подводят напряжение питания, а с измерительной обмотки снимают ЭДС. При подаче напряжения питания постоянной величины и частоты пульсирующий магнитный поток, пересекая ротор, индуктирует в измерительной обмотке ЭДС, пропорциональную угловой скорости w ротора, приводимого в движение контролируемой машиной или механизмом. Основное достоинство асинхронных тахогенераторов состоит в том, что независимо от частоты вращения ротора ЭДС переменного тока на выходе такого тахогенератора имеет постоянную частоту.

К основным недостаткам тахогенераторов относят ограниченный частотный диапазон измеряемых величин. В последние годы тахогенераторы постепенно вытесняются фотоимпульсными и индукционными датчиками, а также специальными интеллектуальными преобразователями - шифраторами углового перемещения (положения).

В фотоимпульсных датчиках импульсы в оптоэлектронной паре источник излучения - приемник излучения (светодиод - фотопреобразователь) создаются при помощи дисков с прорезями или отверстиями, в некоторых приводах применяют вращающиеся детали машин. В подавляющем большинстве шифраторов положения также используют в качестве чувствительного элемента оптоэлектронную пару.

Импульсы индукционных датчиков создаются под влиянием пульсирующего или знакопеременного магнитного потока. В качестве тела, модулирующего поток, служат специальные зубчатые колеса либо вращающиеся ферромагнитные детали машин.

В пьезоэлектрических преобразователях используется эффект появления электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварц, турмалин, сегнетова соль и др.) под влиянием механических напряжений.

В пьезоэлектрических преобразователях главным образом применяют кварц, у которого пьезоэлектрические свойства сочетаются с высокой механической прочностью и высокими изоляционными качествами, а также с независимостью пьезоэлектрической характеристики от температуры в широких пределах. Используют также поляризованную керамику из титаната бария, титаната и цирконата свинца. Пьезоэлектрические датчики обычно применяют для измерений быстропротекающих динамических процессов при ударных нагрузках, вибрациях, переменных усилиях и т.д.

В зависимости от типа используемого термопреобразователя различают термометры расширения, манометрические термометры, термометры сопротивления, термоэлектрические преобразователи и пирометры излучения.

Таблица 10.1 - Наиболее распространенные промышленные средства измерения и контроля температуры

Термометрическое свойство

Наименование средства

Диапазон измерений, °С

Изменение давления рабочего вещества при постоянном объеме

Манометрические термометры: газовые жидкостные конденсационные

-150÷600 -150÷600 -50÷350

Термоэлектрический эффект (термоЭДС)

Термоэлектрические преобразователи

-200÷2200

Изменение электрического сопротивления

Металлические термометры сопротивления

-260÷1100


Полупроводниковые термометры сопротивления

-240÷300

Тепловое излучение

Пирометры излучения: квазимонохроматические спектрального отношения радиационные

700÷6000 1400÷2800 50÷3500


Термобаллон манометрического термометра (рис.10.4) представляет собой цилиндр, изготовленный из латуни или специальной стали, стойкой к химическому воздействию измеряемой среды. Диаметр термобаллона находится в пределах 5-30 мм, а его длина 60-500 мм. Капилляр, соединяющий термобаллон с манометрической пружиной, представляет собой медную или стальную трубку с внутренним диаметром 0,1-0,5 мм. Длина капиллярной трубки в зависимости от эксплуатационных требований может быть от нескольких сантиметров до 60 м. Медные капилляры имеют стальную защитную оболочку, предохраняющую их от повреждений при монтаже и эксплуатации.


В зависимости от конструкции измерительной системы манометрические системы бывают показывающими, самопишущими, бесшкальными со встроенными датчиками для дистанционной передачи показаний на расстояние.

Манометрические термометры - достаточно простые устройства, позволяющие осуществлять автоматическую регистрацию измерений и передачу показаний на расстояние. В настоящее время промышленностью выпускаются манометрические термометры с унифицированными пневматическим и электрическим (постоянного тока) выходными сигналами классов точности 1; 1,5; 2,5. Важное достоинство этих термометров - возможность использования их на взрывоопасных объектах.

Принцип действия терморезистора основан на зависимости электрического сопротивления проводников или полупроводников от температуры. Распространение получили терморезисторы, выполненные из медной и платиновой проволоки. Стандартные платиновые терморезисторы применяют для измерения температуры в диапазоне от -260 до +1100 °С, медные - в диапазоне от -200 до +200 °С (ГОСТ 6651-78). Низко-температурные платиновые терморезисторы (ГОСТ 12877-76) применяют для измерения температуры в пределах от -261 до -183°С.

На рис. 10.5, а показано устройство платинового терморезистора.

Рисунок 10.5 - Устройство и внешний вид арматуры платинового терморезистора

В каналах керамической трубки 2 расположены две (или четыре) секции спирали 3 из платиновой проволоки, соединенные между собой последовательно. К концам спирали припаивают выводы 4, используемые для включения терморезистора в измерительную цепь. Крепление выводов и герметизацию керамической трубки производят глазурью 1. Каналы трубки засыпают порошком безводного оксида алюминия, выполняющим роль изолятора и фиксатора спирали. Порошок безводного оксида алюминия, имеющий высокую теплопроводность и малую теплоемкость, обеспечивает хорошую передачу теплоты и малую инерционность терморезистора.

Для защиты терморезистора от механических и химических воздействий внешней среды его помещают в защитную арматуру (рис. 10.5, б) из нержавеющей стали.

Для медных терморезисторов зависимость сопротивления от температуры выражается уравнением

R=R0∙ (1+α t) при -50 0С ≤ t ≤ +180 0С

где R0 - сопротивление при t=0 0С; α = 4,26∙10-3 К-1.

Для платиновых -

R=R0∙[1+А t+В t2] при 0 0С ≤ t ≤ +650 0С,

где А=3,968∙10-3 К-1; В=5,847∙10-7 К-2; С=-4,22∙10-12 К-4.

Платина является наилучшим материалом для термометров сопротивления, поскольку легко получается в чистом виде, обладает хорошей воспроизводимостью, химически инертна в окислительной среде при высоких температурах, имеет достаточно большой температурный коэффициент сопротивления и высокое удельное сопротивление.

Платиновые термопреобразователи сопротивления являются наиболее точными первичными преобразователями в диапазоне температур, где они могут быть использованы. Платиновые термопреобразователи сопротивления используются в качестве рабочих, образцовых и эталонных термометров. С помощью последних осуществляется воспроизведение международной шкалы температур в диапазоне от -182,97 до 630,5 °С.

Помимо платины и меди, для изготовления терморезисторов используют также никель (в странах дальнего зарубежья).

Для измерения температуры применяют также полупроводниковые терморезисторы (термисторы и позисторы) различных типов, которые характеризуются большой чувствительностью (температурный коэффициент сопротивления ТКС термисторов отрицательный и при 20°С в 10-15 раз превышает ТКС меди и платины, ТКС позисторов положительный и несколько хуже) и имеют более высокие сопротивления (до 1 МОм) при весьма малых размерах. В качестве материалов для них используются различные полупроводниковые вещества - оксиды магния, кобальта, марганца, титанат меди, кристаллы германия. Недостаток термисторов - плохая воспроизводимость и нелинейность характеристики преобразования.

Термисторы используются в диапазоне температур от -60 до +120°C.


где R и R0 - сопротивления терморезистора при температурах соответственно t и t0;- начальная температура рабочего диапазона;

В - коэффициент преобразования.

К термочувствительным преобразователям относят также термодиоды и термотранзисторы, у которых при изменении температуры изменяется величина сопротивления р-n перехода. Эти приборы обычно применяются в диапазоне от -80° до +150° С. Чаще всего термодиоды и термотранзисторы включают в мостовые цепи и измерительные схемы в виде делителей напряжения.

К достоинствам таких преобразователей относят высокие чувствительность и надежность, малые габариты, невысокую стоимость и малую инерционность. Основные недостатки: узкий диапазон рабочей температуры и плохая воспроизводимость статической характеристики преобразователя.

Электрический термометр сопротивления представляет собой терморезистор, включенный в измерительную цепь, которой в большинстве случаев является уравновешиваемый или неравновесный измерительный мост. Терморезистор может быть включен в мост по двухпроводной или трехпроводной схеме. Для уменьшения погрешности от изменения сопротивления соединительных проводов применяют трехпроводную схему (рис.10.6).

В этой схеме два провода включены в соседние плечи моста, а третий - в диагональ питания. При работе этой цепи в равновесном режиме и при условии, что R1 = R3, а RЛ1= RЛ2 , погрешность от изменения сопротивления проводов отсутствует. При работе же в неравновесном режиме погрешность значительно меньше, чем при двухпроводной схеме включения.

Для измерения температуры с помощью стандартных медных и платиновых терморезисторов промышленность выпускает автоматические мосты классов точности 0,25; 0,5.


Термоэлектрические преобразователи (ТЭП) работают на термоэлектри-ческом эффекте, возникающем в цепи термопары: при разности температур в точках 1 и 2 (рис.10.7) соединения двух разнородных проводников в цепи термопары возникает термоЭДС.

Рисунок 10.7

Точку соединения проводников (электродов) 1 называют рабочим концом термопары, точки 2 и 2' - свободными концами. Чтобы термоЭДС в цепи термопары однозначно определялась температурой рабочего конца, необходимо температуру свободных концов термопары поддерживать одинаковой и неизменной.

Возникновение термотока или термоЭДС в современной физике объясняется тем, что различные металлы обладают различной работой выхода электронов и поэтому при соприкосновении двух разнородных металлов возникает контактная разность потенциалов. Кроме того, при различии температур концов проводников в них возникает диффузия электронов, приводящая к возникновению разности потенциалов на концах. Таким образом, оба указанных фактора - контактная разность потенциалов и диффузия электронов - являются слагаемыми результирующей термоЭДС цепи, значение которой зависит в итоге от природы термоэлектродов и разности температур спаев ТЭП.

Для удобства стабилизации температуры свободных концов термопару иногда удлиняют с помощью так называемых удлинительных проводов, выполненных либо из соответствующих термоэлектродных материалов, либо из специально подобранных материалов, более дешевых, чем электродные, и удовлетворяющих условию термоэлектрической идентичности с основной термопарой в диапазоне возможных температур свободных концов (обычно от 0 до 100°С). Иначе говоря, удлинительные провода должны иметь в указанном интервале температур такую же зависимость термоЭДС от температуры, что и у основной термопары.

Для предохранения от механических повреждении и вредного влияния объекта измерения термоэлектроды преобразователя помещают в защитную арматуру.

На рис. 10.8, а показано устройство стандартного термоэлектрического термометра. В жесткой защитной гильзе 1 расположены термоэлектроды 3 с надетыми на них изоляционными бусами 4. Спай 2 касается дна защитной гильзы или может быть изолирован от него с помощью керамического наконечника. К термоэлектродам в головке 8 винтами 6 на розетке 5 подсоединяются удлинительные провода 7. Защитная гильза с содержимым вводится в объект измерения и крепится на нем с помощью штуцера 9. Для обеспечения надежного контакта спай 2 изготавливают сваркой, реже пайкой или скруткой (для высокотемпературных ТЭП).

Рисунок 10.8

Защитную гильзу 1 выполняют в виде цилиндрической или конической трубки из газонепроницаемых материалов диаметром примерно 15-25 мм и длиной в зависимости от потребности объекта измерения от 100 до 2500 - 3500 мм. Материалом для защитной гильзы обычно служат различные стали. Для более высоких температур используются гильзы из тугоплавких соединений, а также кварц и фарфор. Диаметр термоэлектродов составляет 2-3 мм, кроме термоэлектродов платиновой группы, диаметр которых 0,5 мм, что связано с их высокой стоимостью. Стандартные ТЭП выпускают одинарными, двойными и поверхностными - для измерения температуры стенок объекта, когда доступ внутрь объекта затруднителен или невозможен.

В настоящее время широкое применение находят термоэлектрические термометры кабельного типа (рис. 10.8, б, в).

В тонкостенной оболочке 1 размещены термоэлектроды 3, изолированные друг от друга, а также от стенки оболочки термостойким керамическим порошком 4. Рабочий спай 2 может иметь контакт с оболочкой (рис. 10.5, б) или изолируется от нее (рис. 10.8, в). Оболочку выполняют из высоколегированной нержавеющей стали с наружным диаметром 0,5-6 мм, длиной 10-30 м. Благодаря указанным размерам кабельные термоэлектрические термометры являются весьма гибкими при достаточной механической прочности. Выпускаемые хромель-алюмелевые и хромель-копелевые кабельные термометры можно использовать в интервале температур от -50 до 300°С при давлении в 40 МПа. Внутрь оболочки кабеля помещены от одного до трех ТЭП.

В табл.10.2 приведены характеристики термопар в соответствии с ГОСТ 6616-74. Для измерения высоких температур используют термопары типов ТПП, ТПР и ТВР. Термопары из благородных металлов (ТПП и ТПР) применяют при измерениях с повышенной точностью.

Таблица 10.2 - Характеристики стандартных термопар

Тип термопары

Материалы электродов термопар

ТермоЭДС (при tр.к.=100 0С, tс.к.=0 0С), мВ

Верхний предел измеряемой температуры,0С




длительно

кратковременно

ТПП

Платинородий (10% родия) - платина

0,64

1300

1600

ТПР

Платинородий (30% родия) - платинородий (6% родия)

13,81 (при tр.к=1800 0С)

1600

1800

ТХА

Хромель (90% Ni+10% Cr) - алюмель (94,83% Ni + 2% Al + 2% Mn + 1% Si+ 0.17 Fe)

4,10

1000

1300

ТХК

Хромель - копель (56% Cu + 44% Ni)

6,90

600

800

ТВР

Вольфрамрений (5% рения) -вольфрамрений (20% рения)

1,33

2200

2500


Основной недостаток термопар - значительная инерционность (в обычной арматуре показатель тепловой инерции составляет несколько минут). В настоящее время известны конструкции малоинерционных термопар, у которых показатель тепловой инерции составляет не более 5 с.

Термоэлектрические термометры состоят из термоэлектрического преобразователя (термопары) и электроизмерительного прибора (милливольтметра или компенсатора).

Показания милливольтметра при постоянных значениях сопротивления проводников и RmV определяются значением ЭДС термопары и, следовательно, измеряемой температурой. Шкала прибора в этом случае градуируется с указанием типа термопары и выбранного значения внешнего сопротивления. Для подгонки внешнего сопротивления до значения, при котором производилась градуировка (0,6; 5; 15 или 25 Ом), используют уравнительный резистор Rу.

На рис. 10.9 приведена схема термоэлектрического термометра с милли-вольтметром, в которой УП и СП - соответственно удлинительные и соединительные провода; mV - милливольтметр; Rу - уравнительный резистор.

Рисунок 10.9 - Термоэлектрический термометр

Сопротивление проводов изменяется при колебаниях температуры воздуха. Для уменьшения влияния изменения сопротивления термопары и проводов применяют милливольтметры с большим внутренним сопротивлением.

На рис. 10.11 приведена схема термометра с автоматическим введением поправки на изменение температуры свободных концов термопары. Для этого последовательно в цепь термопары и милливольтметра включают неравновесный мост, в котором резистор R1 выполнен из меди и находится в зоне, имеющей температуру свободных концов термопары; резисторы R2, R3 и R4 сделаны из манганина.

Рисунок 10.11 - Термоэлектрический термометр с автоматическим вводом поправки на изменение температуры свободных концов термопары

При градуировке термометра мост находится в равновесном состоянии. В процессе эксплуатации при отклонении температуры свободных концов термопары от значения, при котором производилась градуировка, на диагонали моста а-б появляется разность потенциалов, суммирующаяся с термоЭДС термопары. Параметры моста подобраны так, что изменение термоЭДС от колебаний температуры свободных концов практически полностью компенсируется напряжением, снимаемым с моста. Чувствительность моста регулируют с помощью потенциометра R5.

В термоэлектрических термометрах для измерения ЭДС термопары используют также автоматические компенсаторы, которые имеют значительно меньшую основную погрешность, нежели милливольтметры.

Пирометрами излучения называют приборы для измерения температуры, работа которых основана на использовании энергии излучения нагретых тел.

Все физические тела, температура которых превышает абсолютный нуль, испускают тепловые лучи. Тепловое излучение представляет собой электромагнитное излучение, испускаемое объектом за счет его внутренней энергии (в отличие, например, от люминесценции, которая возбуждается внешними источниками энергии).

Ввиду того что интенсивность теплового излучения резко убывает с уменьшением температуры тел, пирометры используются в основном для измерения температуры от 300 до 6000°С и выше. Для измерения температур свыше 3000°С методы пирометрии являются практически единственными, так как они бесконтактны, т.е. не требуют непосредственного контакта датчика прибора с объектом измерения. Теоретически верхний предел измерения температуры пирометрами излучения неограничен.

Следует также отметить, что бесконтактные методы измерения обладают тем положительным свойством, что при использовании их не искажается температурное поле объекта измерения. В то же время для тех интервалов температур, где могут применяться и контактные методы, последним отдается предпочтение из-за их более высокой точности.

Большинство твердых и жидких тел имеет сплошной спектр излучения, т. е. излучает волны всех длин λ в диапазоне от 0 до бесконечности. Видимое глазом человека излучение, называемое светом, охватывает диапазон длин волн 0,40-0,75 мкм. Невидимые лучи охватывают инфракрасный участок спектра, т. е. диапазон от λ=0,75 до λ~400 мкм, за которым следует постепенный переход в радиоволновой диапазон. Лучи с λ<0,40 мкм также невидимы и относятся к ультрафиолетовому диапазону, за которым следуют рентгеновские и гамма-лучи.

Температурное излучение характеризуют переносимой им энергией. Количество лучистой энергии в лучах длиной волны от λ до λ + Δλ, излучаемой телом с единицы поверхности в единицу времени, называют монохроматической интенсивностью излучения. Количество лучистой энергии, излучаемой при данной температуре единицей поверхности тела в единицу времени для длин волн от 0 до ∞, называют интегральной интенсивностью излучения.

Для абсолютно черного тела зависимость монохроматической интенсивности излучения от температуры тела и длины волны выражают уравнением


где С1 и С2 - постоянные излучения; К - длина волны, для которой определяют интенсивность излучения; е - основание натуральных логарифмов; Т - абсолютная температура. Эта зависимость положена в основу измерения температуры при помощи оптических пирометров.

Логарифм отношения интенсивностей излучения при длинах волн λ1 и λ2 и при малых значениях λT


где С΄1 и С΄2 - постоянные, зависящие от λ1 и λ2.

Полученная зависимость используется при измерении температуры цветовыми пирометрами.

Для абсолютно черного тела интегральная интенсивность излучения


где σ - постоянный коэффициент. На этой зависимости основано измерение температуры радиационными пирометрами.

Монохроматическая и интегральная интенсивности излучения всякого физического тела всегда меньше, чем у абсолютно черного тела, при одинаковой температуре. Для физических тел


где ελ и ε - коэффициенты, соответственно, монохроматического и интегрального излучения, меньшие единицы.

Значения ελ и ε различных физических тел различны и зависят от многих трудно учитываемых факторов: от состава вещества, состояния поверхности тела, температуры тела и т.д. Поэтому градуировку пирометров излучения производят по излучению абсолютно черного тела. При измерении температуры физического тела возникает погрешность, которую можно учесть, если известны коэффициенты ελ и ε.

Если коэффициенты монохроматического излучения тела в двух длинах волн равны, то логарифм отношения интенсивностей излучения не зависит от ελ. Поэтому в цветовых пирометрах при указанных условиях не требуется вводить поправку на неполноту излучения объекта.

В оптическом пирометре (рис. 10.12) интенсивность излучения нагретого тела измеряют путем сравнения в монохроматическом свете яркости исследуемого тела с яркостью нити лампы накаливания.

Рисунок 10.12 - Конструкция оптического пирометра

Пирометр предварительно градуируют по излучению абсолютно черного тела. Под яркостью понимают отношение силы света в данном направлении к проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную тому же направлению. Два тела, имеющие в одном направлении одинаковую яркость, обладают одинаковой интенсивностью излучения.

В этом пирометре яркость исследуемого тела 1 сравнивается с яркостью нити фотометрической лампы 4. Яркость нити лампы, накаливаемой от источника Б, регулируют реостатом R. Фотометрическая лампа встроена в телескоп, имеющий объектив 2 и окуляр 5. При измерении температуры телескоп направляют на исследуемое тело 1 и передвижением объектива и окуляра добиваются получения четкого изображения тела и нити фотометрической лампы в одной плоскости. Изменяя ток в фотометрической лампе, добиваются совпадения яркости нити и исследуемого тела. Отсчет показаний в момент совпадения яркости производят по шкале вольтметра, который градуируют в градусах температуры абсолютно черного тела. Иногда для повышения точности измерения тока или падения напряжения на нити лампы применяют компенсатор постоянного тока.

Для того чтобы интенсивности излучения сравнивались в спектре монохроматических лучей, в пирометре предусмотрен красный светофильтр 6, пропускающий лучи длиной 0,62 мкм и выше. Человеческий глаз чувствителен к лучам длиной волны до 0,73 мкм. Таким образом, сравнение интенсивностей излучения происходит практически в узком спектре 0,62…0,73 мкм.

Нить фотометрической лампы допустимо накаливать до определенной температуры (1400 °С), а поэтому для увеличения верхнего предела измеряемых температур в пирометре имеется ослабляющий светофильтр 3, уменьшающий яркость исследуемого тела в определенное число раз.

Промышленностью СССР выпускались различные типы оптических пирометров, например, ЭОП-66, с помощью которых можно производить измерения в достаточно широком диапазоне температур (800…10 000 °С).

В радиационных пирометрах (рис. 10.13) интегральная интенсивность излучения воспринимается теплочувствительным элементом.

Рисунок 10.13 - Конструкция радиационного пирометра

Внутри телескопа, имеющего объектив 2 и окуляр 5, расположена помещенная в стеклянный баллон термобатарея из последовательно включенных термопар 4. Рабочие концы термопар находятся на лепестке, покрытом слоем платины. Телескоп наводят на объект 1 так, чтобы лепесток перекрывался изображением объекта и вся энергия излучения падала на рабочие концы термопар. ТермоЭДС термобатареи является функцией мощности излучения, а следовательно, и температуры тела. Для защиты глаза при наводке телескопа предусмотрен светофильтр 4.

Рисунок 10.14

Существуют различные конструкции термобатарей.

На рис. 10.14 приведена звездообразная термо-батарея, выполненная из десяти последовательно соединенных термоэлектрических преобразователей, в качестве которых обычно используются хромель-копелевые термоэлектроды диаметром 60-70 мкм. Плоские рабочие концы 3 преобразователей, зачерненные платиновой чернью, образуют венчик. Свободные концы термоэлектрических преобразователей закреплены с помощью металлических пластин 2 на слюдяном кольце 1. Температура свободных концов преобразователя при градуировке равна (20±2)°С. Для компенсации влияния изменения температуры свободных концов термобатареи параллельно последней подсоединяют катушку из медной или никелевой проволоки. Этот метод компенсации заключается в том, что, например, при увеличении температуры свободных концов термоЭДС термобатареи уменьшается, а сопротивление меди увеличивается и ток, ответвляющийся в измерительный прибор, изменяется незначительно.

Класс точности радиационных пирометров составляет 1,0 и 1,5. Постоянная времени этих приборов - 0,3…1,5 с. При установке телескопа между ним и объектом не должно быть паров влаги, дыма, пыли и т. д., поскольку последние поглощают лучистую энергию, что может привести к дополнительной погрешности измерения.

Радиационные пирометры градуируют по излучению абсолютно черного тела, и для них также (как и для оптических) характерна погрешность от неполноты излучения физических тел. Точность радиационных пирометров ниже точности оптических.

Для измерения температур в широком диапазоне выпускают несколько типов радиационных пирометров. Среди них, например, пирометры типа РАПИР (Россия) для температур 100…4000 °С.

В фотоэлектрических пирометрах для измерения интенсивности излучения объекта применяют фотопреобразователи (фотоэлементы). На рис. 10.15, а приведена упрощенная структурная схема фотоэлект-рического яркостного пирометра. Фотоэлемент 4 освещается с одной стороны от объекта измерения / через диафрагмы 2,3 и светофильтр 7, с другой стороны от лампочки накаливания 9 через ту же диафрагму 3 и светофильтр 7. Диафрагму 3 перекрывает колеблющийся якорь 8 электромагнита таким образом, что на фотоэлемент попадают изменяющиеся во времени световые потоки Ф1 и Ф2 обоих источников излучения; при этом фазы переменных составляющих обоих потоков сдвинуты на 180° (рис. 10.15, б).

Рисунок 10.15 - Структурная схема и диаграмма световых потоков фотоэлектрического пирометра

В этом пирометре используется сурьмяно-цезиевый фотоэлемент, который в сочетании со светофильтром делает прибор чувствительным к узкому спектру волн, близкому к спектру, воспринимаемому оптическим пирометром. Это позволяет градуировать фотоэлектрический пирометр по образцовому оптическому пирометру. Пирометр имеет несколько диапазонов измерений. Переход с одного диапазона на другой осуществляют заменой диафрагмы 2.

Выпускают несколько типов цветовых фотоэлектрических пирометров, предназначенных для автоматического непрерывного измерения и регистрации температуры расплавленных металлов и сплавов. Так, например, пирометр «Спектропир-6» (Россия) работает в диапазоне температур 900…2200°С, основная погрешность прибора составляет ± 1 %.

Тема 11 Измерительные мосты

Рисунок 11.1  − Схема одинарного моста переменного тока

В электроизмерительной технике получили широкое распространение электроизмерительные мосты - измерительные приборы, построенные на основе метода сравнения с мерой. Обладая высокой чувствительностью и относительной простотой конструкции, они позволяют с высокой точностью измерять электрические величины. В настоящее время применяются мосты как с ручным, так и с автоматическим уравновешиванием.

Мостовые схемы применяют для измерения сопротивления, индуктивности, емкости, добротности, угла потерь. На основе мостовых схем работают приборы для измерения неэлектрических величин (температуры, давления и разрежения, линейных перемещений, объемного содержания газа в атмосфере и др.).

Плечи одинарного моста (рис.11.1) содержат в общем случае комплексные сопротивления Z1-Z4. Ветвь а-в называют диагональю питания. В выходной (измерительной) диагонали б-г находится нагрузка Zо.

Равновесие моста имеет место при Iо=0:

Z1×Z4 = Z2×Z3

В развернутой форме выражения полных сопротивлений плеч моста имеют вид

Z1=R1+j×X1; Z2=R2+j×X2; Z3=R3+j×X3; Z4=R4+j×X4

Подставив (7.2) в выражение (7.1) получим уравнения равновесия


Наличие двух уравнений равновесия для моста переменного тока означает необходимость регулировки не менее двух параметров для достижения равновесия (баланса). При этом имеет значение сходимость моста, под которой понимают возможность достижения состояния баланса определенным числом поочередных переходов от регулировки одного параметра к регулировке другого.

Мосты, в которых измеряемую величину определяют из условия равновесия, называют уравновешиваемыми или равновесными. Измеряемую величину можно определять и по значению тока или напряжения в измерительной диагонали моста - такие мосты называют неравновесными или мостами отклонения. Неравновесные мосты удобнее в эксплуатации, однако они не обладают точностью равновесных мостов.

Схема одинарного моста постоянного тока не отличается от рассмотренной выше схемы. Плечи моста имеют активные сопротивления R1-R4, а выходная диагональ - гальванометр с Rо. Подобная схема моста постоянного тока носит название моста Уитстона. Рассмотрим на примере этого моста постоянного тока вывод уравнения равновесия, опущенный в предыдущем случае.

Если мост уравновешен, т.е. Iо=0, то

I1=I2, I3=I4 и R1×I1=R3×I3, R2×I2=R4×I4

Разделив одно уравнение на другое почленно, получим

R1/R2=R3/R4 или R1×R4=R2×R3

Если под R1 подразумевать объект с неизвестным сопротивлением Rx , то получим

Rх=R2×R3/R4

Это выражение принято называть уравнением равновесия одинарного моста постоянного тока. Здесь R3 и R4 являются плечами отношения, а R2 - плечом сравнения.

Важнейшая характеристика моста - чувствительность. Поскольку выходными величинами моста являются ток, напряжение или мощность, то соответственно, различают чувствительность мостовой схемы по току, напряжению и мощности.

В мостах переменного тока чувствительность обычно определяют по напряжению

где

На основании (11.2) выражения чувствительности моста постоянного тока по току, напряжению и мощности запишутся соответственно


где ΔI, ΔU и ΔP - соответственно приращения тока, напряжения и мощности в диагонали моста при изменении сопротивления плеча на ΔR1.

Регистрирующие приборы и устройства

В тех случаях, когда необходимо определить текущие значения измеряемой величины, характер изменения этой величины, установить функциональную связь между несколькими измеряемыми величинами, иначе говоря возникает необходимость автоматической регистрации измеряемой величины, применяют соответствующие регистрирующие приборы, к которым относят самопишущие приборы, светолучевые осциллографы, измерительные магнитографы, графопостроители и т.п.

В таблице 12.1 представлены области применения основных классов регистрирующих приборов и устройств.

Таблица 12.1

Область применения

Применяемые приборы

Регистрация медленно меняющихся измеряемых величин

Прибор самопишущий с точечной записью на основе измерительного механизма


Прибор самопишущий компенсационного типа (автоматические мосты и компенсаторы)

Регистрация быстро изменяющихся измеряемых величин (до 150 Гц)



Прибор самопишущий с линейной записью на основе измерительного механизма

Регистрация очень быстро меняющихся измеряемых величин (до 30 кГц и более)

Светолучевые осциллографы Электронные аналоговые и цифровые осциллографы и магнито-графы

Регистрация двух взаимосвязанных измеряемых величин

Прибор самопишущий координатный (графопостроитель, плоттер)


Самопишущие измерительные приборы в зависимости от структурной схемы подразделяют на приборы прямого (с разомкнутой схемой) и уравновешивающего (с замкнутой схемой) преобразования. К последним относятся автоматические мосты и компенсаторы.

Самопишущие приборы прямого преобразования выполняются, как правило, на основе электромеханического измерительного механизма, оснащенного устройством регистрации показаний в форме диаграммы.


По виду регистрации самописцы разделяют на приборы с линейной (непрерывной) записью и с точечной регистрацией.Точечная (дискретная) запись регистрируемого сигнала обеспечивается путем кратковременного контакта пишущего органа с диаграммным носителем в определенные (установленные) моменты времени. Наибольшее распространение получили приборы с линейной записью (рис.12.1). Здесь регистрирующий орган (обычно перо специальной конструкции) фиксирует чернилами изменение измеряемой величины в функции времени на движущейся со скоростью v диаграммной бумаге (носителе).

Диаграммная лента (рис.12.2) обычно имеет по краям отверстия (перфорации), в которые входят штифты вращающегося валика лентопротяжного механизма. На бумаге нанесена координатная сетка - прямоугольная либо криволинейная, в соответствии с используемым механизмом перемещения регистрирующего органа (прямолинейным или угловым).

Вследствие необходимости обеспечения большого вращающего момента в измерительном механизме (для уменьшения погрешности от трения) в самопишущих приборах применяют в основном магнитоэлектрические и ферродинамические измерительные механизмы.


Рисунок 12.2 − Диаграммы с прямоугольной (а) и с криволинейной (б и в) координатными сетками

Рисунок 12.3 − Схема самопишущего манометра с многовитковой трубчатой пружиной

Магнитоэлектрические механизмы применяют в самопишущих вольтметрах и амперметрах постоянного тока. Ферродинамические измерительные механизмы используются в самопишущих приборах для цепей переменного тока.

Для одновременной регистрации нескольких измеряемых величин применяются многоканальные самопишущие приборы, состоящие из нескольких измерительных механизмов и регистрирующих органов и общего лентопротяжного механизма. Например, прибор типа К208-С позволяет одновременно регистрировать пять сигналов постоянного тока в функции времени.

Промышленность выпускает самопишущие приборы в основном с классом точности 1,0…2,5. Погрешность регистрации времени в таких приборах обычно составляет ±0,5 %. Время установления показаний не превышает 2 сек. Наиболее чувствительный самопишущий щитовой прибор постоянного тока типа Н392 имеет предел измерения по току 1 мА, а по напряжению - 75 мВ.

В настоящее время получили распространение быстродействующие самописцы, позволяющие регистрировать сигналы с частотой до 150 Гц (в отличие от обычных, у которых частота регистрируемых сигналов не превышает 1 Гц). К ним относятся приборы типа Н338 (с электромагнитным измерительным механизмом), Н3021 (с магнитоэлектрическим механизмом) и др.

Отдельным классом регистрирующих приборов прямого преобразования следует считать измерительные приборы, предназначенные для измерения и регистрации неэлектрических величин - температуры, давления и др.

На рис. 12.3 показана схема самопишущего манометра с многовитковой трубчатой пружиной. Благодаря большому числу витков перемещение свободного конца многовитковой трубчатой пружины и развиваемые ею усилия достигают значений, позволяющих осуществлять показания и запись измеряемого давления или разрежения. Измеряемое давление через штуцер 1 по капилляру 8 подается во внутреннюю полость многовитковой трубчатой пружины 7. Один конец пружины прикреплен к кронштейну 6, а другой - соединен с осью 9. Под действием давления пружина раскручивается, что сопровождается вращением оси 9 и находящегося на ней рычага 10, вращение которого через тягу 13 передается рычагу 4, находящемуся на одной оси 5 со стрелкой 3. На конце стрелки укреплено перо 14, перемещающееся по дисковой диаграмме 2, вращение которой осуществляется электродвигателем или часовым механизмом. Для регулировки размаха стрелки предусмотрен ползун 11 с винтом 12.

Класс точности показывающих и самопишущих приборов с многовитковой трубчатой пружиной 1,0; 1,5.

Тема 13 Измерительные информационные системы

Измерительная информационная система (ИИС) в соответствии с ГОСТ 8.437-81 представляет собой совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки с целью представления потребителю (в том числе для АСУ) в требуемом виде, либо автоматического осуществления логических функций контроля, диагностики, идентификации.

В зависимости от выполняемых функций ИИС реализуются в виде измерительных систем (ИС), систем автоматического контроля (САК), технической диагностики (СТД), распознавания (идентификации) образов (СРО). В СТД, САК и СРО измерительная система входит как подсистема.

По характеру взаимодействия системы с объектом исследования и обмена информацией между ними ИИС могут быть разделены на активные и пассивные. Пассивные системы только воспринимают информацию от объекта, а активные, действуя на объект через устройство внешних воздействий, позволяют автоматически и наиболее полно за короткое время изучить его поведение. Такие структуры широко применяются при автоматизации научных исследований различных объектов.

В зависимости от характера обмена информацией между объектами и активными ИИС различают ИС без обратной связи и с обратной связью по воздействию. Воздействие на объект может осуществляться по заранее установленной жесткой программе либо по программе, учитывающей реакцию объекта. В первом случае реакция объекта не влияет на характер воздействия, а следовательно, и на ход эксперимента. Его результаты могут быть выданы оператору после окончания. Во втором случае результаты реакции отражаются на характере воздействия, поэтому обработка ведется в реальном времени. Такие системы должны иметь развитую вычислительную сеть. Кроме того, необходимо оперативное представление информации оператору в форме, удобной для восприятия, с тем чтобы он мог вмешиваться в ход процесса.

Эффективность научных исследований, испытательных, поверочных работ, организации управления технологическими процессами с применением ИИС в значительной мере определяется методами обработки измерительной информации.

Операции обработки измерительной информации выполняются в устройствах, в качестве которых используются специализированные либо универсальные ЭВМ. В некоторых случаях функции обработки результатов измерения могут осуществляться непосредственно в измерительном тракте, т. е. измерительными устройствами в реальном масштабе времени.

В системах, которые содержат вычислительные устройства, обработка информации может производиться как в реальном масштабе времени, так и с предварительным накоплением информации в памяти ЭВМ, т. е. со сдвигом по времени.

При исследовании сложных объектов или выполнении многофакторных экспериментов применяются измерительные системы, сочетающие высокое быстродействие с точностью. Такие ИИС характеризуются большими потоками информации на их выходе.

Значительно повысить эффективность ИИС при недостаточной априорной информации об объекте исследования можно за счет сокращения избыточности информации, т. е. сокращения интенсивности потоков измерительной информации. Исключение избыточной информации, несущественной с точки зрения ее потребителя, позволяет уменьшить емкость устройств памяти, загрузку устройств обработки данных, а следовательно, и время обработки информации, снижает требования к пропускной способности каналов связи.

При проектировании и создании ИИС большое внимание уделяется проблеме повышения достоверности выходной информации и снижения вероятностей возникновения (или даже исключения) нежелательных ситуаций. Этого можно достичь, если на ИИС возложить функции самоконтроля, в результате чего ИИС способна осуществлять тестовые проверки работоспособности средств системы и тем самым сохранять метрологические характеристики тракта прохождения входных сигналов, проверять достоверность результатов обработки информации, получаемой посредством измерительных преобразований, и ее представления.

Все более широкое развитие получают системы, предусматривающие автоматическую коррекцию своих характеристик - самонастраивающиеся (адаптивные) системы. Введение в такие системы свойств автоматического использования результатов самоконтроля - активного изучения состояния ИИС - и приспособляемости к изменению характеристик измеряемых сигналов или к изменению условий эксплуатации делает возможным обеспечение заданных параметров системы.

. Рассмотренные выше измерительные информационные системы показывают, что почти для каждого типа ИИС используется цепочка из аппаратных модулей (измерительных, управляющих, интерфейсных, обрабатывающих).

Таким образом, обобщенная структурная схема ИИС (рис.13.1) содержит

Рисунок 13.1 - Обобщенная структурная схема ИИС

) устройство измерения, включающее в себя первичные и вторичные измерительные преобразователи и собственно измерительное устройство, выполняющее операции сравнения с мерой, квантование, кодирование; в это же устройство может входить и коммутатор;

) устройство обработки измерительной информации, выполняющее обработку измерительной информации по определенному алгоритму (сокращение избыточности, математические операции, модуляция и т.п.);

) устройство хранения информации;

) устройство представления информации в виде регистраторов и индикаторов;

) устройство управления, служащее для организации взаимодействия всех узлов ИИС;

) устройство воздействия на объект, включающее в себя генераторы стимулирующих воздействий

Информация от ИИС может выдаваться оператору или поступать в ЭВМ. Оператор и ЭВМ могут воздействовать на устройство управления ИИС, меняя соответственно программу ее работы. В ряде ИИС некоторые устройства и связи могут отсутствовать или видоизменяться. Так, могут отсутствовать устройства воздействия на объект, хранения и обработки информации. При наличии в составе ИИС ЭВМ информация к ЭВМ может поступать непосредственно от устройств обработки или (и) хранения.

Для каждой конкретной системы количество блоков, состав функций и связи между блоками устанавливаются условиями проектирования.

ИВК представляет собой совокупность программно-управляемых измерительных, вычислительных и вспомогательных технических средств, функционирующих на основе единого метрологического обеспечения и реализующих алгоритм получения, обработки и использования измерительной информации.

Комплексы при этом обеспечивают: первичную обработку результатов измерения; получение результатов косвенных, совокупных и совместных измерений, в том числе в темпе поступления данных; управление функционированием отдельных узлов в ходе эксперимента, включая организацию запросов, очередей, установление приоритетов, диалоговый режим с оператором; контроль работоспособности трактов комплексов, включая контроль метрологических характеристик; сервисную обработку получаемой информации (представление результатов в виде таблиц, графиков и т. п.); хранение получаемой информации; выработку управляющих воздействий на исследуемый объект в виде аналоговых и дискретных сигналов.

В ИВК измерительные и вычислительные средства взаимодействуют на основе единого алгоритма, обеспечивающего получение, обработку и использование измерительной информации. ИВК строятся на основе технических средств, имеющих блочно-модульный принцип исполнения, что обеспечивает возможность создания ИВК с перестраиваемой структурой. Такие ИВК предназначены для автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), а также для управления такими сложными объектами, как космические корабли, морские суда и другие транспортные средства.

В зависимости от назначения различают следующие типы ИВК:

универсальные, предназначенные для создания АСНИ, а также для испытаний различных изделий и материалов; их характерной особенностью является наличие перестраиваемой структуры, а также развитого программно-алгоритмического обеспечения;

проблемно-ориентированные, предназначенные для ограниченного набора однотипных задач АСНИ или АСУ ТП;

уникальные, предназначенные для единичных (специфических) задач исследования или испытаний.

Программное управление ИВК осуществляется программируемым процессором, который обеспечивает реализацию алгоритма функционирования системы в соответствии с требуемой обработкой измерительной информации.

Работоспособность ИВК определяют техническое, математическое и метрологическое обеспечение. В состав технического обеспечения входят измерительные, вычислительные и вспомогательные устройства.

К измерительным средствам относят: цифровые и аналоговые измерительные приборы; нормирующие, линейные, функциональные измерительные преобразователи; коммутаторы измерительных цепей, калибраторы, измерительные источники питания и др.

В качестве вычислительных средств в ИВК могут быть использованы аналоговые, гибридные и цифровые вычислительные устройства микроЭВМ.

Основным содержанием математического обеспечения ИВК являются алгоритмы и программы. Алгоритмы предусматривают выполнение процедур, связанных с измерением физических величин, обработкой результатов измерения, выполнением плана эксперимента и т. п. Программы обеспечивают функционирование ИВК, поэтому содержат инструкции по самоорганизации комплекса и самоконтролю его узлов, подпрограммы для выполнения алгоритмов типовых процедур и решений типовых задач.

Метрологическое обеспечение предусматривает законодательно закрепленные процедуры нахождения оценок метрологических характеристик отдельных узлов, их самопроверки на основе соответствующих алгоритмов и программ.

Информационно-измерительные системы содержат ряд подсистем: измерительную, сбора, преобразования, предварительной обработки данных и подсистемы управления в целом. Все подсистемы в ИИС соединены между собой в единую систему. ИИС, как правило, проектируют на основе агрегатно-модульного принципа, по которому устройства, образующие систему, выполняются в виде отдельных, самостоятельных изделий (приборов, блоков). В составе ИИС эти устройства выполняют определенные операции и взаимодействуют друг с другом, передавая информационные и управляющие сигналы через систему сопряжения.

Для унифицированных систем сопряжения между устройствами, участвующими в обмене информации, стал общепринятым термин интерфейс. Под интерфейсом (или сопряжением) понимают совокупность схемотехнических средств, обеспечивающих непосредственное взаимодействие составных элементов ИИС. Устройства подсоединяются к системе сопряжения и объединяются в ИИС по определенным правилам, относящимся к физической реализации сопряжения. Конструктивное исполнение этих устройств, характеристики вырабатываемых и принимаемых блоками сигналов и последовательности выдаваемых сигналов во времени позволяют упорядочить обмен информацией между отдельными функциональными блоками.

Под интерфейсной системой понимают совокупность логических устройств, объединенных унифицированным набором связей и предназначенных для обеспечения информационной, электрической и конструктивной совместимости. Интерфейсная система также реализует алгоритмы взаимодействия функциональных модулей в соответствии с установленными нормами и правилами.

Возможны два подхода к организации взаимодействия элементов системы и построению материальных связей между ними:

жесткая унификация и стандартизация входных и выходных параметров элементов системы;

использование функциональных блоков с адаптивными характеристиками по входам-выходам.

На практике часто сочетают оба подхода.

Применение развитых стандартных интерфейсов при организации ИИС позволяет обеспечить быструю компоновку системы и разработку программ управления.

Интерфейс может быть общим для устройств разных типов, наиболее распространенные интерфейсы определены международными, государственными и отраслевыми стандартами. Стандарт (ГОСТ 26016-81) включает четыре признака классификации:

способ соединения комплектов системы (магистральный, радиальный, цепочечный, комбинированный);

способ передачи информации (параллельный, последовательный, параллельно-последовательный);

принцип обмена информацией (асинхронный, синхронный);

режим передачи информации (двусторонняя одновременная передача, двусторонняя поочередная передача, односторонняя передача).

Соединение отдельных приборов и блоков между собой осуществляется линиями связи или линиями интерфейса. Линии интерфейса могут объединяться в группы для выполнения одной из операций в программно-управляемом процессе передачи данных. Эти группы линий называются шинами интерфейса. Назначение отдельных линий и шин, их номенклатура и взаимное расположение в системе (топологии) являются базовыми при рассмотрении функционирования любого интерфейса.

В цепочечной структуре (рис.13.2, а) каждая пара источник-приемник соединена попарно линиями от выходов предыдущих функциональных блоков ко входам последующих, обмен данными происходит непосредственно между блоками или приборами. Функции управления распределены между этими устройствами. Цепочечную структуру интерфейсов используют, как правило, в несложных системах с несколькими функциональными устройствами.

В системе, выполненной по радиальной структуре (рис.13.2, б), имеется центральное устройство - контроллер, с которым каждая пара источник-приемник связана с помощью индивидуальной группы шин. Блоки и приборы, подключаемые к контроллеру, могут изменять свои места при соответствующем изменении программы работы контроллера. Под управлением контроллера происходит обмен данными между каждым устройством и контроллером. Связи между управляющим устройством и одним из устройств-источников или приемников сигналов могут осуществляться как по инициативе контроллера, так и по инициативе устройств-абонентов. В последнем случае одно из устройств вырабатывает сигнал запроса на обслуживание, а контроллер идентифицирует запрашиваемое устройство. Когда контроллер готов к обмену данными, логически подключаются цепи связи и начинается процесс обмена. Эти цепи остаются подключенными, пока не будет передана нужная порция информации.

Рисунок 13.2

Контроллер может производить обмен данными только с одним из устройств. В случае одновременного поступления запросов от двух и более абонентов по системе приоритетов будет установлена связь с устройством, имеющим наивысший приоритет. Приоритет присваивается приборам и блокам в зависимости от их типа, технических характеристик и важности поступающей информации. В интерфейсах с радиальной структурой чаще всего приоритет зависит от места подключения кабеля, соединяющего абонента с контроллером.

Радиальное соединение функциональных блоков позволяет достаточно просто и быстро осуществлять адресацию и идентификацию требуемого функционального блока.

К недостаткам радиальной структуры можно отнести большую длину соединительных линий, а также сложность контроллера, что приводит к увеличению стоимости ИС.

В системах с магистральной структурой (рис.13.2, в) вместо группы индивидуальных шин имеются коллективные шины, к которым подсоединяются все источники и приемники информации и контроллер.

К основным характеристикам интерфейса относятся следующие: функциональное назначение; структура или тип организации связей; принцип обмена информацией; способ обмена данными; режим обмена данными; номенклатура шин и сигналов; количество линий; количество линий для передачи данных; количество адресов; количество команд; быстродействие; длина линий связи; число подключаемых устройств; тип линии связи.

По принципу обмена информацией интерфейсы подразделяют на параллельные, последовательные и параллельно-последовательные.

При параллельной передаче цифровых данных численное значение величины, содержащее k-битов, транслируют по k-информационным линиям. Это сообщение одновременно может быть введено в интерфейс, а также воспринято приемником. Интерфейсные устройства параллельного ввода-вывода информации позволяют согласовать во времени процесс обмена данными между ЭВМ и периферийным устройством.

Для связи датчиков информации, исполнительных элементов, территориально удаленных от процессора на десятки и сотни метров, в ИИС применяют интерфейсы периферийных устройств. В таких интерфейсах используются как параллельный, так и последовательный способы обмена информацией. При этом последний по причине существенного упрощения собственно линии связи, а следовательно, и снижения стоимости, наиболее предпочтителен, если при этом обеспечивается необходимая скорость передачи информации.

В последнее время в связи с развитием микро- и мультипроцессорных ИИС, отдельные микропроцессоры или устройства ввода-вывода которых могут отстоять друг от друга территориально на сотни метров (например, заводская или цеховая ИИС), все более широко применяются системные интерфейсы или интерфейсы локальных сетей. Системный интерфейс, как правило, имеет многоуровневую архитектуру (совокупность) аппаратных и программных средств. Широкое распространение получил цифровой протокол HART. Этот открытый стандартный гибридный протокол двунаправленной связи предусматривает передачу цифровой информации поверх стандартного аналогового сигнала 4...20 мА.

Бурно развивается системная интеграция первичных преобразователей с использованием различных разновидностей промышленных сетей Foundation Fieldbus, ModBus, Profibus и др. При этом используется полностью цифровой коммуникационный протокол для передачи информации в обоих направлениях между датчиками и системами управления, существенно облегчая взаимозаменяемость приборов разных мировых производителей.

В отечественных и зарубежных микропроцессорных измерительно-управляющих вычислительных системах распространены асинхронные мультиплексные интерфейсы с параллельным способом передачи информации 8-разрядные интерфейсы Microbus, 16-разрядные интерфейсы общая шина (Unibus, Microbus). В последние годы при реализации информационно-измерительных сетей преобладают цифровые интерфейсы последовательной передачи данных RS-232С и RS-485, а также интерфейс параллельной передачи IEEE-488. До сих пор используются выходящие из применения ДДПК (двоично-десятичный параллельный код) и ИРПС (интерфейс радиальный последовательный), разработанные в 1980-е годы.


Не нашел материал для своей работы?
Поможем написать качественную работу
Без плагиата!