Измерительные приборы

17.10.2016 г. КУРС ЛЕКЦИЙ: МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ, СЕРТИФИКАЦИЯ ТЕМА 1. МЕТРОЛОГИЯ ЛЕКЦИЯ 4 № СОДЕРЖАНИЕ В ВВЕДЕНИЕ. ОCНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МЕТРОЛОГИИ (лекция 1) 1 ВИДЫ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ 1 1.1 Меры и калибраторы (лекция 2) 2 1.2 Измерительные преобразователи (лекция 3) 10 1.3 Измерительные приборы (лекция 4) 19 2 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ 2.1 Характеристики измерительных приборов (лекция 5) 2.2 Характеристики мер и калибраторов (лекция 6) 2.3 Характеристики измерительных преобразователей (лекция 6) 3 ВИДЫ И ОБЩИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ (лекция 7) 4 СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЙ СИЛЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА (лекция 8) 5 СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ (лекция 9) 6 ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЙ (лекция 10) 7 СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЙ ЧАСТОТЫ (лекция 11) 8 СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ (лекция 12) 9 ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ 9.1 Составляющие погрешности измерения (лекция 13) 9.2 Запись результата измерения (лекция 13) 9.3 Вычисление погрешностей измерений (лекция 14) Примечание – Нумерация страниц, рисунков и таблиц сквозная в пределах раздела 1: здесь нумерация продолжает нумерацию материала лекции 3. 19 17.10.2016 г. 1.3 Измерительные приборы Измерительные приборы (ПИ) преобразуют измеряемые величины в форму, доступную для восприятия человеком, т.е. в отличие от измерительных преобразователей способны отображать результаты измерений. Примеры ПИ широкого применения: амперметры, вольтметры, омметры, ваттметры, осциллографы, частотомеры, мультиметры, счётчики электрической энергии и др. Эти приборы выпускаются массово в различным конструктивных исполнениях. Изображение некоторых из них представлены на рисунках 1.19. амперметр с аналоговым способом отображения результата измеритель фазных напряжений с цифровым способом отображения результатов осциллограф с цифровым способом отображения информации Рисунок 1.19 – Примеры измерительных приборов 1.3.1 Виды измерительных приборов, различаемые по способу отображения результатов  Аналоговые. Такие приборы способны отображать результаты измерений с помощью отсчётного устройства в виде шкалы со стрелкой или шкалы со световым маркером. Такие приборы до сих пор создаются на базе измерительных механизмов: магнитоэлектрических и электромагнитных. Примечание – Следует иметь в виду, что аналоговый способ отображения не изжит. Его преимущество в возможности быстрого качественного восприятия человеком состояния контролируемой величины, а также динамики её изменения. 20 17.10.2016 г. аналоговый частотомер тестер (авометр) узкопрофильный измеритель Рисунок 1.20 – Примеры аналоговых измерителей  Цифровые. Цифровые приборы преобразуют непрерывный контролируемый сигнал в цифровую форму и отображают результат в виде числа. Преимущество цифрового представления результатов измерении для человека – быстрое считывание в ответственных случаях. У таких приборов возможностей отображений результатов измерений существенно больше, чем у аналоговых. а) Типовые способы отображения с помощью многоразрядного цифрового дисплея. цифровой щитовой прибор мультиметр настольный (стендовый) прибор Рисунок 1.21 – Примеры несложных цифровых измерителей б) Цифровые приборы с совмещённым способом отображения. Они имеют цифровой дисплей с дополнительной псевдоаналоговой шкалой. дисплей портативного прибора узкопрофильный щитовой прибор Рисунок 1.22 – Примеры совмещения цифрового способа отображения с псевдоаналоговым в) Приборы, которые создаются на основе как цифровой, так и аналоговой схемотехники одновременно – приборы гибридного исполнения. Это редкие приборы, реализуемые немногими фирмами. 21 17.10.2016 г. мультиметр гибридного исполнения Рисунок 1.23 – Пример мультиметра гибридного исполнения г) Многофункциональные приборы со сложными графическими дисплеями, на которые выводятся помимо массивов измеренных значений также различные графические формы отображения результатов. измерительные приборы со сложными устройствами отображения информации Рисунок 1.24 – Приборы с графическими способами отображения результатов 1.3.2 Виды приборов, различаемые по способу утилизации результатов измерений 22 17.10.2016 г.  Показывающие. Это обычные приборы, единственное назначение которых – оперативно предоставить результат измерения пользователю в аналоговой или цифровой форме.  Регистрирующие. Назначение этих приборов – сохранить результаты продолжительных измерений тем или иным способом. Актуальных способов регистрации два: на бумаге или на электронных носителях – энергонезависимой памяти, например, хорошо известной flash-памяти.  Системного назначения. Это приборы, которые способны транслировать информацию удалённому потребителю посредством стандартных интерфейсов.  С комбинированными возможностями. Это приборы, которые наделены указанными функциями в большей или меньшей степени. Так функция регистрации в настоящее время не являются чем-то сложно реализуемым, поэтому многие измерители имеют эти возможности штатно или опционально. В этом случае информация хранится в микросхемах энергонезависимой памяти, а запомненные результаты измерений выводятся на дисплей по вызову пользователя по мере необходимости. показывающий прибор со встроенной энергонезависимой памятью регистрирующий прибор с выводом результатов на графический дисплей регистратор температуры со встроенным термопринтером Рисунок 1.25 – Примеры приборов с различными способами регистрации 1.3.3 Виды приборов, различаемые по принципу действия или внутренней структуре  Электромеханические приборы. Это наиболее старые виды измерителей: амперметры, вольтметры, омметры, частотомеры, фазометры … Основой этих приборов являются измерительные механизмы. Актуальными из них остаются два: магнитоэлектрические и электромагнитные. Они непосредственно измеряют токи и на их основе создаются вольтметры и др. измерители. 23 17.10.2016 г. Магнитоэлектрический механизм (МЭИМ). Позволяет измерять постоянные токи с высокой точностью и чувствительностью. Не измеряет переменные токи. Основными деталями МЭИМ являются: - постоянный магнит (деталь 1); - подвижная (измерительная) катушка провода (деталь 4); - ось, закрепляемая в корпусе прибора (деталь 5); - пружины (деталь 6); - стрелка со шкалой (деталь 7). Принцип работы: измеряемый ток подаётся (не показано как) в катушку с проводом, магнитное поле которой взаимодействует с полем постоянного магнита. Чем больше ток, тем взаимодействие сильнее и катушка энергичнее поворачивается вокруг оси. Окончательный угол поворота, а вместе с ним – результат измерения, обусловлен силой противодействия пружины, которая возрастает пропорционально повороту оси. Стрелка останавливается, когда момент вращения, обусловленный током и характеристиками механизма, сравняется с противодействующим моментом: Мвр=Мпр. Рисунок 1.26 – Устройство и принцип действия магнитоэлектрического механизма Электромагнитный механизм (ЭМИМ). Позволяют измерять постоянные токи и, главное, т.н. истинное среднеквадратическое значение переменного тока. Основными деталями ЭМИМ являются: - неподвижная (измерительная) катушка провода (деталь 1); - сердечник (пластина) из магнитомягкого материала (деталь 2); - ось, закрепляемая в корпусе прибора (деталь 3); - стрелка (деталь 4); - шкала (деталь 5). - пружины (деталь 6); Принцип работы: измеряемый ток (I) подаётся в катушку с проводом, магнитное поле которой взаимодействует с полем намагниченного сердечника - сердечник втягивается в щель катушки и поворачивает ось. Чем больше ток, тем сильнее взаимодействие и тем сердечник энергичнее втягивается в катушку. Окончательный угол поворота, а вместе с ним – результат измерения, обусловлен силой противодействия пружины, которая возрастает пропорционально повороту оси. Назначение: измерение СКЗ переменных токов. 24 17.10.2016 г. Рисунок 1.27 – Устройство и принцип действия электромагнитного механизма  Приборы выпрямительной группы МЭИМ не способен непосредственно измерять переменный ток, однако по ряду причин его также приспосабливают для измерения переменных сигналов. Для этого его снабжают преобразователями переменного тока в постоянный ток – детекторами. На рисунке 1.28 показана функциональная схема такого выпрямительного амперметра, в качестве детектора в котором использован выпрямительный мост. Рисунок 1.28 – Устройство амперметра выпрямительной группы  Электронные приборы (аналоговые) Отличительная особенность электронных приборов – наличие в структуре электронного усилителя с управляемым коэффициентом усиления и электронного детектора, который отличается от обычного выпрямителя сложной преобразовательной схемой с дополнительными возможностями. Рисунок 1.29 – Структура электронного амперметра  Цифровые приборы Типовая структурная схемы цифрового амперметра (в качестве примера) представлена на рисунке 1.30. 25 17.10.2016 г. Рисунок 1.30 – Структурная схема цифрового амперметра В отличие от аналоговых электронных цифровые включают в структуру аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и соответственно – цифровое отсчётное устройство. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой код, который соответствует измеренному значению. 1.3.4 Виды приборов, различаемые по конструктивным особенностям  портативные (носимые);  переносные малогабаритные;  переносные настольные (стендовые);  встраиваемые (щитовые);  другие. портативный (тепловизор) портативный (тестер) переносной настольный (стендовый) встраиваемые в электротехнические щиты переносные малогабаритные для установки на DIN-рейку размещаемый в электрической розетке 26 осциллографическая USBприставка 17.10.2016 г. сложный измеритель в чемодане крейтовые измерительные приборы Рисунок 1.31 – Примеры конструктивных исполнений приборов Здесь представлены основные виды измерительных приборов. Эта область приборостроения постоянно развивается, поэтому уже имеют место и другие разновидности. Подробный разбор актуальных характеристик измерительных приборов будет проведен позже, в лекции 5. 27