Лекции по "Метрологии"

   ;   ;   Z_M - магнитное сопротивление цепи.

   ;   ,

   - длина магнитопровода; S - площадь сечения; - магнитная постоянная; - величина воздушного зазора; - магнитная проницаемость.

     ;   Р - потери в магнитопроводе; - угловая частота; Ф - магнитный поток.

  е). Ёмкостные преобразователи: на выходе - ёмкость; на входе - перемещение.

  Основаны на зависимости электрической ёмкости конденсатора от его размеров взаимного расположения обкладок или пластин и от диэлектрической проницаемости среды между ними.

     ;    S - площадь пластины; - диэлектрическая проницаемость среды; - расстояние между пластинами.

   ;   ;   ;   . 

  2). Генераторные преобразователи.

  а). Термоэлектрический преобразователь.  Основан на термоэлектрическом эффекте, возникающем в цепи термопары. Термопара - датчик из двух, соединённых между собой разнородных электропроводящих элементов. При разности температур точек 1 и 2 соединения двух разнородных проводников А и В в цепи термопары возникает ЭДС.

  б). Индукционные:  на выходе - ЭДС; на входе - изменение магнитного потока.  Основаны на использовании закона электромагнитной индукции, согласно которому ЭДС, индуктированная в катушке, имеющая витков равно.

   .

  в). Пьезоэлектрические:  Основаны на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, заключающихся в появлении электрических зарядов на поверхности кристаллов (кварц, сигментовая соль) под влиянием механических напряжений.

  Под воздействием на пластину усилия F_X возникает заряд   в направлении оси Оу: ; . 
 

  Измерение электрических величин методами сравнения с мерой.

  (1). Мостовые схемы.

  Широкое применение объясняется большой точностью, высокой чувствительностью, возможностью измерения различных величин.

  По роду тока: мосты постоянного тока, мосты переменного тока.  По уравновешенности: уравновешенные, неуравновешенные.

  1). Переменный.

  При равновесии моста, ток в диагонали аб отсутствует.  аб - измерительная диагональ. 
 
 
 

         ;  ;

           - уравнение равновесие моста. 
 

  2). Постоянный.

  Мосты могут выполнятся автоматическими. 
 
 
 

  Потенциометр. (компенсатор).

  Переменного и постоянного тока.

  Используются для измерения ЭДС, напряжений, токов и R.

  Схема потенциометра постоянного тока: 
 
 
 
 

  Ен - нормальный элемент, ЭДС которого известна; Ех - измеряемая ЭДС; Н.И. - нуль индикатор; Rн - ??? резистор4 R - резистор с точно известным сопротивлением, на котором создаётся напряжение компенсации Uк; Rp - реостат для установки рабочего тока; ВБ - вспомогательный источник тока.

  Методика измерения.

  1).Переключатель П в положении 1. Устанавливается рабочий ток до тех пор пока гальванометр не покажет нуль. 2).Процесс измерения Переключатель в положение 2. Перемещением движка R добиваются тока через индикатор нуля =0.

  Недостаток:  требование установки постоянного рабочего тока., но метод широко используется потому, что высокая точность измерений достигается отсутствием потребления мощности от источника потребляемой величины в момент компенсации, а также в следствии высокой чувствительности гальванометра, высокой точности нормального элемента резистора. Высокой стабильности вспомогательного источника.

  Компенсаторы переменного тока.

  ЭДС уравновешивается известным напряжением, создаваемым рабочим током на участке сопротивления рабочей цепи. Для уравновешивания двух напряжений переменного тока необходимо равенство их по модулю, равенство по частоте, идентичность формы кривой, противоположность по фазе.

  В качестве нуль индикатора - вибрационные гальванометры, электронно-лучевые нуль индикаторы, усилитель с указанием выходного сигнала.

  Недостаток:  по точности измерения уступают потенциометрам постоянного тока, т.к. нет меры ЭДС переменного тока аналогичной. 
 

  Электронно-лучевой осциллограф.

  Назначение: для визуального наблюдения измерения и регистрации электрического сигнала.

  Достоинства: возможность измерения во времени сигнала, удобство определения амплитудных и временных параметров наблюдения, широкий частотный диапазон, высокая чувствительность, большое входное сопротивление.

  Классификация: 1). по назначению: для наблюдения непрерывных сигналов, для наблюдения импульсных сигналов, универсальные осциллографы, специального назначения, многофункциональные; 2). По количеству одновременно исследуемых сигналов: одноканальные, многоканальные; 3). По характеристикам: различаются чувствительностью, полосой пропускания, погрешностью воспроизведения формы кривой.

  Принцип действия: основан на управлении движением пучка электронов, воздействием на него исследуемым напряжением. Для улучшения метрологических характеристик предусмотрено устройство, обеспечивающее стабильность характеристик осциллографа. Коррекцию амплитудных и фазовых погрешностей, периодическую калибровку чувствительности и некоторое др.

  Состав: ЭЛТ - электронно-лучевая трубка; ВД - входной делитель (аттенюатор); УВО - усилитель вертикального отклонения; ПУ - предварительный усилитель; ЛЗ - линия задержки; ВУ - выходной усилитель; БС - блок синхронизации; ГР - генератор развёртки; УГО - усилитель горизонтального отклонения; КА - калибратор амплитуды; КД - калибратор длительности.

  УВО - предназначен для усиления исследуемого напряжения до значения удобного для визуального наблюдения.

  Исследуемый сигнал подаётся на вход у. При переменном напряжении луч вычерчивает вертикальную линию. Для получения изображений исследуемого сигнала развёрнутого во времени необходимо смещать луч по оси х с равномерной скоростью. Это осуществляется подачей на отклоняющие пластины линейно изменяющегося пилообразного напряжения. 
 
 
 
 

  Блок синхронизации осуществляет изменение частоты генератора развёртки в некоторых пределах в соответствии с частотой исследуемого сигнала. Для этого сигнал из канала вертикального отклонения подаётся на БС, на выходе которого вырабатываются импульсы синхронные с измерением исследуемого сигнала для управления генератором развёртки, заставляя работать его с частотой кратной частоте входного сигнала. Такой режим работы называется непрерывным и используется при наблюдении периодических сигналов. При наблюдении непериодических сигналов рекомендуется ждущий режим генератора. В этом случае ГР вырабатывает пилообразный импульс только с приходом исследуемого импульса. Это даёт устойчивое изображение импульса на экране. Однако в следствие инерциальности генератора пилообразное напряжение вырабатывается с некоторым запозданием по отношению к запускающему импульсу. В результате часть импульса оказывается неразвёрнутой во времени. Для устранения этого недостатка используется линия задержки, осуществляющая временной сдвиг принимаемого сигнала. В электронном осциллографе предусмотрено также возможность запуска ГР. Для этого предусмотрен специальный вход синхронизации и переключатель ВZ.

  Основные характеристики: коэффициент отклонения, чувствительность, полоса пропускания, коэффициент развёртки, скорость перемещения луча, класс точности (1,2,3,4 - > погрешности: 3.5.10.12% соответственно), потребляемая мощность, максимально допустимое входное напряжение.

  Применение осциллографа: 1). Измерение напряжения и тока; результат прямого ??? напряжения. Осциллограф является прибором реагирующим на изменение напряжения и все физические величины, которые м.б. преобразованы в напряжение могут исследоваться осциллографом.  Соответственно измерение тока - косвенное как падение напряжения на известном R. Для измерения напряжения используют метод калиброванной шкалы.

      ;   К_Д - коэффициент деления; h_O - отклонение луча в одну сторону; С_У - коэффициент отклонения луча по Оу.

  2).Измерения временных интервалов.   Метод калиброванной шкалы базируется на использовании от калиброванной развёртки.

      ;   Д_Р - длительность развёртки; - отклонение луча по горизонтали; М_Р - множитель развёртки.

  3). Измерение частоты (периода сигнала).    а). Через период ,   ;

  б). Метод фигур Лиссажу (для синусоидальных сигналов).   Основан на сравнении исследуемого сигнала (1 вход) с известным напряжением (2 вход) генератор развёртки при этом отключён. Регулируя известную частоту, получают неподвижную фигуру Лиссажу , требуемое значение неизвестной частоты определяют из , где N - число пересечений.

  в). Метод круговой развёртки.   Применяется для соотношения частот большое 6,8. Для получения изображения сигналов напряжения с более низкой частотой подаётся с фазовом сдвигом одновременно на входы х и у осциллографа. Напряжение с более высокой частотой подаётся на модулятор (канал Z). Модулятор создаёт затемнения и по числу светящихся штрихов судят о соотношении частот.

  4). Измерение фазовых сдвигов.

  а).Одновременное наблюдение двух кривых на экране осциллографа (двухлучевой осциллограф). 

   .

  б).Использование фигур Лиссажу. (эллипс или прямая).

   .

  в). Более высокую точность можно получить используя осциллограф как нуль индикатор. В этом случае в цепь одной пары отклоняющих пластин включается фазовращающее устройство. Фазовый сдвиг регулируется до тех пор пока эллипс не превратится впрямую линию. Сдвиг по фазе отсчитывают по шкале фазовращения.

  г). При помощи круговой развёртки.   Напряжение U₁ на входы Х и У: получается круговая развёртка, U₂ - на вход Z. Получаются затемнения на экране, расстояние между которыми соответствует искомой разности фаз. 
 

  Цифровые измерительные приборы. (ЦИП).

  Цифровые - приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации, показания которых представляются в цифровой форме.