Файл взят с сайта www.kodges.ru, на котором есть еще много интересной литературы 9 страница

высокой частоты.

Для уменьшения токов утечки термоэлектрический амперметр следует включать в такую точку цепи, потенциал которой относи­тельно земли близок к нулю, на­пример между точками а и b на рис. 5.34. Включение теплоэлектри- ческого амперметра, показанное на рис. 5.34, неудачно.

Основными достоинствами термоэлектрических приборов яв­ляются достаточно высокая точ­ность измерений в широком диа­пазоне частот и независимость показаний от формы кривой токов и напряжений. Термоэлектричес­кие миллиамперметры имеют клас­сы точности 1,0 и 1,5. С помощью термоэлектрических миллиампер­метров можно измерять токи в области частот от 10 Гц до 100 МГц.

К недостаткам термоэлектрических приборов следует отнести малую перегрузочную способность, большое собственное потребление и неравномерную шкалу.

5.12. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2. ПОВЕРКА ВОЛЬТМЕТРОВ И АМПЕРМЕТРОВ

Цель настоящей работы •— ознакомление с методикой поверки показывающих приборов прямого действия для выявления соответст­вия прибора обозначенному на нем классу точности.

В данной работе при выявлении соответствия прибора обозна­ченному на нем классу точности прибор подвергается не всем обус­ловленным ГОСТ испытаниям. Поверку приборов производят путем сравнения показаний испытуемых приборов с показаниями образцо­вого прибора. Приборы классов точности 1,0; 1,5; 2,5 и 4,0 поверяют путем сличения их показаний с показаниями образцов приборов классов 0,2 и 0,5. Поверка вольтметров и амперметров в настоящей работе производится по схемам рис. 5.35, а и б.

Задание

1. Ознакомиться с приборами, имеющимися на стенде. Составить перечень приборов, записать в протокол все паспортные данные этих приборов.

2. Собрать схему и показать ее для проверки руководителю.

Рис. 5. 34. Схема включения термоэлектрического ампер­метра.

3. Подать напряжение на схему для поверки вольтметра или ам­перметра. С помощью однофазного регулятора напряжения плавно переместить стрелку от нулевого показания до максимального и об­ратно и убедиться в отсутствии трения стрелки.

4. Прогреть прибор в течение 15 мин током, соответствующим номинальному значению измеряемой величины. После выключения прибора проверить, находится ли указатель на нулевой отметке шка­лы. В случае необходимости с помощью корректора установить ука­затель на нулевую отметку.

5. Указатель испытуемого прибора установить последова­тельно на всех числовых от­метках шкалы сначала при воз­растании измеряемой величины от нуля до наибольшего значе­ния по шкале и затем по тем же точкам при убывании от на­ибольшего значения по шкале до нуля, при этом необходимо следить за тем, чтобы указа­тель подходил к числовой от­метке только с одной стороны. По образцовому прибору оп­ределить действительное значе­ние измеряемой величины на этих отметках.

6. Вычислить абсолютные и приведенные погрешности и поправки, выбирая для этого

-220В

Рис. 5.35. Схема вающих приборов

-220В

поверки показы- прямого дейст­

вия.

а — вольтметра; б — амперметра.

большее значение для каждой пары абсолютных погрешностей, по­лученных для данной точки. Вычислить вариацию показаний. Вычис­ления производить по формулам

100,

Твар ^:

%,восх *Я,чисх ^XN

где Д — абсолютная погрешность; х„ — показание поверяемого при­бора; х — показание образцового прибора; у — приведенная погреш­ность в процентах; х_Л — нормирующее значение поверяемого прибо­ра; —Д — поправка; увар — вариация показаний в процентах.

Таблица 5.1. Результаты наблюдений и вычислений

Показания поверяе­мого при­бора х, В(А)	Показания образцо­вого прибора х	Абсолютные по­грешности д	Приве­денная погреш­ность, V. %	Вариац.1 я показании ^вар' %
при уве­личении напряже­ния (тока), В(А)	при умень­шении на­пряжения (тока), В(А)	при уве­личении напряже­ния (то­ка), В(А)	при умень­шении на­пряжения (тока), В (Л)

А = х_п — х;

100;

— А:

Результаты наблюдений и вычислений записать в табл. 5.1.

7. По данным опыта и расчетов построить кривую поправок в зависимости от показаний поверяемого прибора, т. е. —&=f(x_n).

8 Проверить, не превосходят ли полученные погрешности прибо­ра пределов допускаемых для него основных абсолютных погрешно­стей и вариации показаний.

9. Составить отчет по требуемой форме.

ГЛАВА ШЕСТАЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ

6 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В современных средствах измерения входной сигнал, несущий информацию об измеряемой величине, часто испытывает ряд преобразований. Цель этих преобразо­ваний — привести сигнал к виду, при котором возможно последующее измерение его информативных параметров с заданной точностью. Совокупность элементов средства измерений или измерительного канала, в результате ко­торой обеспечивается осуществление всех преобразова­ний измерительного канала, называется измерительной цепью. Элемент измерительной цепи, в котором осуще­ствляется одно из ряда последовательных преобразо­ваний измерительного сигнала, называется преобразова­тельным элементом (ПЭ). Один или несколько преобра­зовательных элементов, конструктивно оформленные в самостоятельное изделие, называют измерительным пре­образователем (ИП).

Преобразования сигналов могут быть различными: изменение физической природы сигнала, например преобразование сопротивления электрической цепи в ток или напряжение и т. п.;

масштабирование, т. е. приведение сигнала к опреде­ленному диапазону изменения;

линеаризация — операция, обеспечивающая линей­ную зависимость между информативными параметрами входного и выходного сигналов;

фильтрация — отделение сигнала от помех, наложен­ных на сигнал;

аналого-цифровое преобразование, т. е. преобразова­ние непрерывной (аналоговой) формы сигнала в циф­ровой код.

Существуют и другие преобразования входных сиг­налов.

Виды ПЭ и ИП, осуществляющих указанные преоб­разования, многочисленны. Остановимся на некоторых из них и рассмотрим наиболее важные свойства, общие для многих ПЭ и ИП, а также для измерительной цепи в целом. Рассмотрение вопроса начнем с изучения свойств простейших ИП, содержащих только один ПЭ.

6.2. ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ И СВОЙСТВА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

и_г

-о

Каждый ИП в измерительной цепи характеризуется комплексом технико-экономических характеристик, сре­ди которых выделим для дальнейшего изучения основ­ные метрологические характеристики — функцию пре­образования, точность, чувствительность, разрешающую способность, входное и выходное сопротивления, быстро-

№

Ui

Рис. 6.1. Структурная схема преобразователя.

Рис. 6.2. Делитель напряжения.

действие. Эти характеристики позволяют ответить на вопрос о принципиальной возможности применения дан­ного ИП для выполнения требуемого измерительного преобразования в конкретной измерительной задаче.

Функция преобразования И П. Выделим из измери­тельной цепи произвольный ИП. Обозначим через х его входную, а через у — выходную величины (рис. 6.1). Функция преобразования устанавливает связь между этими величинами:

У = F (х).

Функцию преобразования называют также характе­ристикой ИП. Измерительные преобразователи с нели­нейной функцией преобразования называют функцио­нальными преобразователями. Примером функциональ­ного преобразователя может служит лампа накаливания,
если ее рассматривать как преобразователь приложен­ного напряжения в ток, протекающий через лампу. Дело в том, что увеличение тока в нити накаливания сопро­вождается повышением ее температуры и сопротивления. Поэтому зависимость между напряжением, приложен­ным к лампе, и током, протекающим по ее нити накали­вания, нелинейна. Другой пример функционального пре­образователя — полупроводниковый диод.

Зависимость y=F(x) преобразователей может быть задача аналитически, графиком или таблицей.

Преобразователи с функцией преобразования вида

у = ах+Ь, (6.1)

где а и b — постоянные коэффициенты, называют линей­ными преобразователями. Для линейных преобразова­телей характерно постоянство коэффициентов а и b и их независимость от значения входной величины х. В таком случае коэффициент а называют коэффициентом преоб­разования или коэффициентом передачи входного сигна­ла на выход преобразователя.

Примером линейного преобразователя может слу­жить делитель напряжения (рис. 6.2), для которого спра­ведливо

U₂ = —5а— U_t.

² Я1+Я₂ ¹

В данном случае a—Rz/ {R\-\-Rz), 6=0.

Другим примером линейного преобразователя может служить медный терморезистор, представляющий собой тонкую медную проволоку, навитую на каркас. Зависи­мость сопротивления такого преобразователя от окру­жающей температуры (функция преобразования) описы­вается уравнением

Я_е=Я о+ R₀ а©,

где Re — сопротивление терморезистора при температу­ре ©° С; Ro — сопротивление терморезистора при 0= =0° С; а — температурный коэффициент сопротивления меди (а=4,25-10-³ 1/°С).

В данном случае a=R₀a, b=R₀.

В случае линейных цепей при преобразовании посто­янных токов и напряжений выходные величины строго пропорциональны входным и коэффициент преобразова­ния можно рассматривать как постоянную величину.

При преобразовании синусоидальных токов и напряже­ний в общем случае отличаются не только значения вы­ходной и входной величин, но и их фазы. Поэтому коэф­фициент преобразования представляет собой комплекс­ную величину и зависит от частоты.

Если изменяется одно из сопротивлений цепи, а на­пряжение цепи постоянно, то ток в нагрузке и напряже­ние на ней — функции изменения сопротивления. Такая цепь является функциональным преобразователем. На­пример, в цепях постоянного тока изменяющееся сопро­тивление (входная величина) и выходной ток или напря­жение связаны гиперболической зависимостью. В цепях переменного тока зависимость между изменяющимся со­противлением и выходным током более сложная.

К функции преобразования ИП предъявляются тре­бования:

1) соответствие реальной функции преобразования номинальной. Под номинальной функцией преобразова­ния понимается такая функция преобразования, которая была заложена в техническом задании на разработку данного ИП;

2) стабильность во времени, а также при действии других влияющих величин.

Точность измерительного преобразователя. Действи­тельная функция преобразования ИП отличается от но­минальной. Обычно это отличие мало, но оно всегда есть. Степень отличия действительной функции преобразова­ния от номинальной характеризует точность преобразо­вания. Точность является качественной характеристикой ИП. Различают высокую точность или низкую точность. Общепринятого количественного способа выражения точности не существует. Для этой цели пользуются по­нятием погрешность ИП, под которой понимают разность между его действительной и номинальной функциями преобразования. Различают погрешности ИП по входу и выходу. Измерительный преобразователь можно исполь­зовать для определения входного сигнала по известному входному. Первый случай характерен для использова­ния ИП в измерительном канале при передаче измери­тельной информации, здесь интерес представляет по­грешность ИП по входу. Во втором случае ИП исполь­зуется в качестве меры, при этом представляет интерес его погрешность по выходу. Погрешности ИП классифи­цируются по признакам, приведенным на рис. 6.3.

По способу выражения погрешности ИП разделяют на абсолютные, относительные и приведенные.

Абсолютной погрешностью ИП по входу Д* называют разность между истинными значениями выходной вели­чины у, приведенной ко входу, и входной величины х:

ах ~ у/кном

Признаки классификации
по способу Выражения	—
по источнику Возникновения	—
по причине и условиям Возникновения	—
по характеру изменения	—
по зависимости от Входной Величины	—
по зависимости от инерционности преобразователя	—

погрешности ИП

Абсолютные	Приведен­ные	Относитель­ные
Методичес­кие		Инструмен­тальные
! Основные		дополни­тельные
Системати­ческие		Случайные
Аддитивные		Мультиплика тивные
Статические		Динамичес­кие

Рис. 6.3. Классификация погрешностей ИП.

абсолютной погрешностью ИП по выходу А_у называют разность между значением входной величины, приведен­ной к выходу, и истинным значением величины, соответ­ствующей выходному сигналу:

Ду ~ ^пом X У'

где /Сном — номинальный коэффициент преобразования.

На практике, в связи с тем что истинные значения неизвестны, пользуются действительными значениями ве­личин, поэтому найти точное значение погрешности не­возможно и находят лишь оценки погрешностей, но сло­во «оценка» часто опускают.

Относительная погрешность ИП равна отношению абсолютной погрешности к истинному значению вход­ной (6* — по входу) ИЛИ ВЫХОДНОЙ (бу — по выходу) величины и часто выражается в процентах:

6_т = 100, 6„ = 100. х Ч

Приведенная погрешность ИП определяется как от­ношение абсолютной погрешности к нормирующему зна­чению входной xjv или выходной г/jv величины и выра­жается обычно в процентах:

у_x = 100; y_v=^L 100.

^,х % *v y_N

Нормирующим называют условно принятое значение, которое в ИП обыно равно полному диапазону возмож­ных изменений входного (х??) или выходного (у_л) сиг­нала.

Погрешности ИП делятся на методические и инстру­ментальные. Методические погрешности — это состав­ляющие погрешности ИП, обусловленные несовершен­ством метода измерительного преобразования. Например, нелинейный ИП со слабо выраженной нелинейно­стью может рассматриваться как линейный ИП, но при этом всегда будет методическая погрешность, обуслов­ленная заменой нелинейной характеристики линейной. Инструментальные погрешности — составляющие по­грешности ИП, обусловленные несовершенством его из­готовления. Например, если в схеме делителя напряже­ния (см. рис. 6.2) сопротивления резисторов отличаются от номинальных, то возникает инструментальная состав­ляющая погрешности коэффициента передачи делителя.

По причине и условиям возникновения погрешности ИП делятся на основные и дополнительные. Основная погрешность — это погрешность ИП в нормальных ус­ловиях эксплуатации. Предел допустимой основной по­грешности — это наибольшая основная погрешность ИП, при которой он может быть признан годным и допущен к эксплуатации.

Нормальными условиями эксплуатации ИП называ­ются условия, при которых влияющие величины имеют нормальные значения или находятся в пределах нор­мальной области значений. Последние устанавливаются в стандартах или технических условиях на ИП данного типа. Под влияющими величинами понимаются физиче­ские величины, не являющиеся преобразуемыми данным ИП, но оказывающие влияние на результат преобра­зования входной величины. Например, окружающая температура может изменять сопротивления резисторов в схеме ИП и, таким образом, изменять его коэффици­ент преобразования; внешние электрические и магнит­ные поля создают помехи в цепях ИП, искажающие пре­образуемую величину, и т. п.

Помимо нормальных условий применения ИП разли­чают рабочие условия применения, при которых значе­ния влияющих величин находятся в пределах рабочих областей. Рабочие области значений влияющей величи­ны также устанавливаются в стандартах или техниче­ских условиях на данный вид ИП, и в этой области нор­мируется дополнительная погрешность ИП. Таким об­разом, дополнительной погрешностью ИП будем называть составляющую погрешности ИП в рабочих ус­ловиях, вызванную отклонением одной из влияющих ве­личин от нормального значения. Если влияющая вели­чина выходит за границы значений рабочей области, то применение данного ИП в таких условиях становится невозможным.

По характеру изменения погрешности ИП делятся на систематические и случайные. Под систематической по­грешностью понимается составляющая погрешности ИП, остающаяся постоянной или закономерно изменяющая­ся. Случайная погрешность ИП — составляющая по­грешности, изменяющаяся случайным образом. Приме­ром систематических погрешностей могут служить ме­тодические погрешности, возникающие при замене нелинейной функции преобразования линейной, или ин­струментальные погрешности, вызванные неточной под­гонкой сопротивлений резисторов, и др. Причинами слу­чайных погрешностей могут служить различного рода на­водки и помехи.

Деление погрешностей ИП на систематические и слу­чайные в известной мере носит условный характер. Одна и та же причина (влияющая величина) может приво­дить как к систематическим, так и к случайным погреш­ностям. Покажем это на следующем примере. Пусть не­который ИП используется для преобразования заданной входной величины в условиях переменной окружающей температуры. Если время работы ИП мало и окружаю­щая температура за это время не успевает заметным об­разом измениться, то погрешность преобразователя, обу­словленная действием окружающей температуры, в таком эксперименте будет постоянной и должна рас­сматриваться как систематическая погрешность. Если же ИП работает длительно и окружающая температура многократно колеблется относительно некоторого сред­него значения, то погрешность ИП, обусловленная коле­банием окружающей температуры, должна рассматри­ваться как случайная.

По зависимости от значения входного сигнала по­грешности ИП делятся на аддитивные, т. е. не завися­щие от значения входного сигнала, и мультипликатив­ные, т. е. пропорциональные значению входного сигнала. Аддитивные погрешности вызываются смещением нуле­вых уровней ИП. Причинами аддитивных погрешностей могут быть начальное смещение и дрейф нулевого уров­ня, например, в измерительных усилителях, действие термо-ЭДС, шумы и различного рода наводки во вход­ных цепях ИП и т. п. Источник аддитивной помехи всег­да можно рассматривать как источник сигнала, не зави­сящий от значения преобразуемой величины и включен­ный во входную цепь ИП. Мультипликативные погрешности вызываются нестабильностью функций пре­образования ИП. Например, в схеме делителя напряже­ния (см. рис. 6.2) отклонение сопротивлений резисторов от номинальных значений вызывает отклонение коэффи­циента передачи делителя от номинального значения, что приводит к мультипликативной погрешности. Сум­марная абсолютная погрешность ИП Дл определяется суммой абсолютных значений аддитивной Д_а и мульти­пликативной Д_м составляющих погрешности:

Рассмотрим в качестве примера ИП усилитель по­стоянного тока с номинальным коэффициентом усиления Кнсы (рис. 6.4). Обозначим: V

вх — входное напряжение, — выходное напряжение, £/_см — напряжение сме­щения усилителя. Входным током и инерционностью усилителя пренебрежем, но допустим, что действитель­ный коэффициент усиления усилителя К отличается от номинального на значение ДК. В таком случае U_CM вы­
зывает смещение характеристики усилителя: при U_BS~О U_BUX=VсмКфО, но это смещение не зависит от значения U_BX, следовательно, t/_CM является источником аддитив­ной погрешности. При наличии А К изменяется крутизна

характеристики преобразова­ния усилителя и появляется погрешность U_BXAK, абсолют­ное значение которой пропор­ционально значению U_Bx- Сле­довательно, нестабильность коэффициента усиления явля­ется источником мультиплика­тивной погрешности.

U_M

Рис. 6.4. Усилитель постоян' ного тока.

Рассмотрим ИП с характеристикой вида у—Кх. Ад­дитивная и мультипликативная составляющие погреш­ности изменяют характеристику преобразования, как показано на рис. 6,5, а и б. На рис. 6.5, в показано суммар­ное действие этих погрешностей. На рис, 6.5, г—е пред­ставлены зависимости абсолютных погрешностей (A_d> А_м, An), а на рис. 6.5, ж—и — относительных погрешно-

Рис 6 5 Графики погрешностей ИП.

а, г, ж—аддитивной, б, д, з — мультипликативной, в, е, и — суммарно"» 128

Относительная суммарная погрешность, приведенная ко входу ИП, может быть представлена в виде

где с = 6_М + у_а; d = у_а.

Полученная форма выражения суммарной погрешно­сти часто используется для описания метрологических свойств прецизионных ИП, например аналого-цифро­вых ИП.

По зависимости от инерционности ИП различают статические и динамические погрешности.

Статической погрешностью преобразователя называ­ется постоянная во времени погрешность, не зависящая от инерционных свойств ИП.

Динамическая погрешность — это погрешность ИП, вызванная его инерционностью при преобразовании пе­ременной во времени величины.

Чувствительность и порог реагирования измеритель­ного преобразователя. Под чувствительностью ИП по­нимают отношение изменения сигнала на выходе ИП к вызвавшему его изменению входного сигнала. Обозна­чим Ду изменение выходной величины ИП, вызванное изменением входной величины Ах. Отношение

Ay/Ax = S_cp (6.2)

называется средней чувствительностью ИП на интерва­ле Ах. Предел, к которому стремится это отношение при Ах—>-0, называют чувствительностью ИП в точке х:

_S = lim^L^. (6.3)

дж-ьо Ах dx

В общем случае входная и выходная величины ИП могут быть неоднородными, поэтому и чувствительность ИП в общем случае является размерной величиной. Од­нако часто эти величины являются однородными, на­пример в делителях или усилителях напряжения — это напряжения постоянного или переменного тока. В таких случах чувствительность ИП является величиной без­размерной.

9—970

В зависимости от вида входной и выходной величин ИП можно говорить о разных видах его чувствительно­сти. Например, если выходная величина ИП электриче­ская, то можно говорить о его чувствительности по току, напряжению, мощности, а также о чувствительности ИП к току, напряжению, сопротивлению и т. п., если эти ве­личины являются входными для рассматриваемого ИП.

Различают абсолютную и относительную чувстви­тельность ИП. Абсолютную чувствительность рассматри­вают по (6.2) и (6.3), а относительную по формулам

dx/x dx/x

Например, чувствительность константанового тензо- преобразователя (преобразователя деформации в изме­нение сопротивления) определяется как отношение от­носительного изменения электрического сопротивления тензопреобразователя ДR/R к относительной деформа­ции М/1. В таком случае чувствительность выражается безразмерным числом, которое для константанового тен­зопреобразователя равно двум.

Чувствительность ИП зависит от вида его функции преобразования: если последняя линейна, то чувстви­тельность ИП постоянна и не зависит от значения х, в этом случае S—S_cp', если же функция преобразования ИП нелинейна, то его чувствительность зависит от л: и <S=7^S_CP. Например, для ИП с характеристикой вида у=ах+Ь имеем S—a-, для ИП с характеристикой вида у—ах² имеем S=2ax.

Под порогом реагирования ИП понимается такое ми­нимальное приращение входной величины, которое вы­зывает уверенно различимое приращение выходной ве­личины ИП. Дело в том, что смещение нулевого уровня, собственные шумы ИП, гистерезисные явления в харак­теристике ограничивают минимальное значение входно­го сигнала, который может быть преобразован данным ИП. Поэтому порог реагирования ИП всегда имеет ко­нечное значение и выражается обычно в единицах вход­ной величины. Например, усилитель постоянного напря­жения с коэффициентом усиления К имеет чувствитель­ность

5 = dU^JdU^ = К-

Этот параметр показывает, во сколько раз будет усилено поданное на вход усилителя напряжение, но не
дает ответа на вопрос о том, какое минимальное напря­жение, поданное на вход усилителя, может быть надеж­но обнаружено на его выходе. Допустим, что этот уси­литель в рабочем диапазоне влияющих величин харак­теризуется нестабильностью нулевого уровня (его начальное смещение, дрейф и шумы), значение которой, приведенное ко входу, не превышает границ ±5 мВ. Тог­да можно сделать вывод, что порог реагирования дан­ного усилителя равен ±5 мВ независимо от значения его чувствительности (коэффициента усиления).

Входное и выходное сопротивления измерительного преобразователя. Любой ИП должен преобразовывать

Рис. 6.6. К вопросу о влиянии мощ­ности, потребляемой ИП, на резуль­тат преобразования.

а — преобразуемый сигнал — напряжение; б — преобразуемый сигнал — ток.

входной сигнал с минимальными искажениями. Степень искажения сигнала в ИП в большой мере зависит от его входного и выходного сопротивлений. Покажем это на следующем примере. Пусть ИП с входным сопротивле­нием Rbx подключается к активному двухполюснику с выходным сопротивлением R и ЭДС е (рис. 6.6, а). До замыкания ключа напряжение на выходе активного двух­полюсника равно ЭДС е, после замыкания ключа это напряжение уменьшится до значения

Снижение выходного напряжения произошло пото­му, что в цепи возник ток, который на сопротивлении R создал падение напряжения. Именно на это значение от­носительно ЭДС и уменьшится выходное напряжение активного двухполюсника, причем снижение выходного напряжения будет тем больше, чем меньше значение Rbx- Следовательно, для того чтобы искажение (умень­шение) выходного напряжения активного двухполюсни­ка при подключении ИП было минимальным, необходи­мо потребовать выполнения условия Rbx^-R-

Другой пример. На рис. 6.6, б показана схема, со­держащая ЭДС и последовательно включенное сопро­
тивление нагрузки R_sar. Допустим, что ключ замкнут, тогда ток в цепи равен ii—e/R_saT. Введем в схему по­следовательно с Янаг ИП с входным сопротивлением R (разомкнем ключ). Ток в цепи уменьшится и будет равен:

Дата добавления: 2015-08-29