Меры и калибраторы

Редакция 04.02.2018 г. Макарычев П.К. ИИТ МЭИ КУРС ЛЕКЦИЙ: МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ, СЕРТИФИКАЦИЯ ТЕМА 1. МЕТРОЛОГИЯ ЛЕКЦИЯ 2 № СОДЕРЖАНИЕ В ВВЕДЕНИЕ. ОCНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МЕТРОЛОГИИ (лекция 1) 1 ВИДЫ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ 17 стр 1.1 Меры и калибраторы 2 1.2 Измерительные преобразователи 7 1.3 Измерительные приборы 12 2 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ (лекция 3) 3 ВИДЫ И ОБЩИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ (лекция 4) 4 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ СИЛЫ ТОКА И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ (лекция 5) 5 ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ. ВИДЫ. УСТРОЙСТВО. ХАРАКТЕРИСТИКИ (лекция 6) 6 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ЧАСТОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА (лекция 7) 7 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ (лекция 8) 8 ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ (лекция 9) Примечание – Нумерация страниц, рисунков и таблиц сквозная в пределах раздела 1. 1 Редакция 04.02.2018 г. Макарычев П.К. ИИТ МЭИ 1 ВИДЫ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ Совокупность приборов, предназначенных для проведения измерений и имеющих специальные – метрологические характеристики, будем называть средствами измерений (СИ). Будем различать три группы* средств измерений: Рисунок 1.0 – Виды (группы) средств измерений Примечание – В метрологической практике принято также различать группы СИ под объединяющими названиями «Измерительные установки» и «Информационноизмерительные системы». Это сложные, часто – проблемно ориентированные, СИ и их изучение обычно осуществляется в отдельных курсах. 1.1 Меры и калибраторы  меры Меры воспроизводят физическую величину заданного значения. Они применяются для проверки метрологических свойств измерителей соответствующего назначения, а также при настройках проектируемых электрических схем различного назначения. Так в первом случае мера подключается, например, на вход омметра и затем его показание сравнивается с более точным – принимаемым за действительное (Rд), значением меры. По разности судят о метрологической состоятельности омметра и, если, необходимо и возможно – проводится т.н. калибровка омметра. На рисунках 1.1 представлены примеры изображений современных мер электрического сопротивления (МЭС) и меры электрического напряжения (МЭН). Графема МЭС Меры электрического сопротивления 2 Редакция 04.02.2018 г. Макарычев П.К. ИИТ МЭИ графема МЭН Меры электрического напряжения Рисунок 1.1 – Примеры мер электрических величин В современном приборостроении существуют меры электрической ёмкости, индуктивности, эталонные источники токов и др.  калибраторы Калибраторами принято называть многозначные меры. С их помощью можно проводить метрологические испытания измерителей не в одной точке шкалы, как в случае с мерами, а во всём диапазоне измерений или нескольких наиболее актуальных точках. Магазины (электрических) сопротивлений. На рисунке 1.2 представлен пример семидекадного магазина сопротивления типа Р4834-М1. На зажимах «R» путём манипуляций секторными регуляторами можно воспроизвести электрическое сопротивление в диапазоне от 0,1 Ома до 100 кОм с разрешением (минимальное различимое значение) в 0,01 Ом. Сопротивление воспроизводится с высокой точностью, что позволяет, в частности, проверять метрологическую состоятельность таких приборов как омметр в диапазоне его измерений. Рисунок 1.2 – Пример магазина сопротивления 3 Редакция 04.02.2018 г. Макарычев П.К. ИИТ МЭИ Магазины (электрических) емкостей и индуктивностей, многозначный источник постоянного тока. Серийно выпускаются и другие многозначные меры (калибраторы) электрических величин: емкостей, индуктивностей, постоянного и переменного тока (рисунки 1.3). магазин электрических емкостей магазин индуктивностей многозначные высокоточные источники постоянного тока Рисунок 1.3 – Примеры калибраторов электрических величин Многоканальные многофункциональные калибраторы. Такие калибраторы способны воспроизводить значения нескольких величин одновременно. Некоторые примеры двухканальных калибраторов представлены на рисунках 1.4. двухканальные магазины: ёмкостей и резисторов Рисунок 1.4 – Примеры двухканальных магазинов электрических величин 4 Редакция 04.02.2018 г. Макарычев П.К. ИИТ МЭИ Многофункциональные калибраторы. Это одноканальные калибраторы, позволяющие поочерёдно воспроизводить значения нескольких физических величин. Малогабаритный переносной калибратор Time Electronics 1017. Воспроизводит значения электрических сопротивлений, силы постоянных тока, напряжения постоянного тока. Рисунок 1.5 – Многофункциональный калибратор типа Программируемые калибраторы (ПК). ПК это наиболее сложные и дорогие разновидности калибраторов. Они отличаются от ранее представленных, у которых значения воспроизводимых величин устанавливаются только вручную. Программируемые калибраторы могут воспроизводить величину как непрерывный массив значений, формируемый по программе метрологических испытаний средств измерений. На рисунках 1.6 представлены два примера таких ПК: универсального назначения (Fluke-9100) и многоканальный специального назначения (Ресурс-К2). Fluke-9100 представляет собой многофункциональный калибратор. В дополнение к напряжению постоянного и переменного тока, электрическому сопротивлению, а также силе постоянного и переменного тока, прибор позволяет воспроизводить значения электрической ёмкости и проводимости, синтезировать сигналы произвольной формы или формировать сигналы прямоугольной, треугольной, импульсной и трапециидальной формы, импульсы с регулируемой амплитудой, длительностью и коэффициентом заполнения. 5 Редакция 04.02.2018 г. Макарычев П.К. ИИТ МЭИ ПК типа «Ресурс-К2» это шестиканальный формирователь силы переменного тока и напряжения переменного тока. Служит для метрологических испытаний измерителей показателей качества электрической энергии (ПКЭ). В соответствии с закладываемой программой синтезирует периодические сигналы (токи и напряжения) с частотным спектром от 0 до 2500 Гц. Рисунки 1.6 – Примеры программируемых калибраторов 6 Редакция 04.02.2018 г. Макарычев П.К. ИИТ МЭИ 1.2 Измерительные преобразователи Измерительные преобразователи (ПИ) преобразуют сигналы измерительной информации в форму, более удобную для дальнейшего использования при измерениях: при обработке, хранении, дальнейшем преобразовании или передаче, индикации. Типовое графическое обозначение преобразователей (графема) представлено на рисунке 1.7. Х – преобразуемая величина (всегда слева от тела графемы), Y – преобразованная величина (всегда справа от тела графемы) Рисунок 1.7 – Типовая графема измерительных преобразователей Измерительные преобразователи будем делить на следующие группы. 1.2.1 Преобразователи неэлектрических величин в электрические  Первичные измерительные преобразователи (ПИП). Термометры сопротивления (ТС). Преобразуют температуру среды, в которой находятся, в электрическое сопротивление постоянному току (рисунок 1.8). Рисунок 1.8 – ТС. Изображение, конструкция и графема ТС выпускаются трёх видов: двухпроводные, трёхпроводные и четырёхпроводные (рисунок 1.9). 7 Редакция 04.02.2018 г. Макарычев П.К. ИИТ МЭИ Рисунок 1.9 – ТС. Схемно-конструктивные варианты Термоэлектрический преобразователь (термопара, ТП). Эти преобразователи также воспринимают температуру (точнее – разность температур), но преобразуют её в напряжение низкого уровня (рисунок 1.10). Диапазон выходных напряжений от 0 до нескольких десятков милливольт. Важно, что термопары способны выдавать только малые значения тока без ущерба точностным характеристикам, поэтому последующие (вторичные) преобразователи (см. далее) должны иметь большое входное сопротивление, идеально – бесконечность. Рисунок 1.10 – ТП. Изображение, принцип действия, конструкция и графема  Вторичные измерительные преобразователи (ПИВ) ПИВ преобразуют сигналы первичных преобразователей в следующие электрические сигналы: - напряжение или ток унифицированных диапазонов; Примечание – Так принято обозначать стандартизованные диапазоны измерений напряжения, тока или реже – частоты. Например, унифицированные диапазоны напряжений постоянного тока: 0…+10 мВ; 0…+20 мВ; ±10 мВ; 0…+1В; ±1 В; 0…+10 В. - сигналы стандартных интерфейсов (RS485, RS232, CAN, Ethernet, …). 8 Редакция 04.02.2018 г. Макарычев П.К. ИИТ МЭИ Примечания – Интерфейсами называют устройства, предназначенные для обмена информацией между источниками и приёмниками. Источник информации может быть одновременно и приёмником. Информация передаётся аналоговым или цифровым, проводным или беспроводным способами. Информация передаётся в соответствии со стандартизированными протоколами непрерывно или посредством посылок – специальным образом скомпонованными массивами данных, которые позволяют распознавать начало и конец посылки, исправлять некоторые ошибки, возникающие при трансляции, расшифровывать собственно полученные данные (информацию). Проводные интерфейсы имеют две или более линии связи. В ряде случаев линии связи используются не только для обмена информацией, но и для питания электронных схем. В настоящее время широко используются несколько типов проводных цифровых интерфейсов: USB, RS232, RS485, CAN, Ethernet. Они отличаются количеством и назначением линий обмена, уровнями передаваемых цифровых сигналов (напряжений), протоколом обмена. Интерфейсы имеют различное назначение. Их основные характеристики: предельная дальность, скорость и помехозащищённость обмена. Достаточно широко используются аналоговые интерфейсы под названием «токовая петля». Обычно такая связь осуществляется между удалённым датчиком и приёмником информации. Информация передаётся посредством двух проводов. В этом интерфейсе носителем информации является значение силы тока: источник формирует это значение в соответствии с результатом измерения, например, температуры, а приёмник выполняет обратную задачу – измеряет ток и, например, отображает значение температуры. Наряду с проводными получают всё большее распространение и беспроводные интерфейсы. Типовые современные беспроводные интерфейсы: ZigBee, Bluetooth, WiFi и др. ЦР 9007. Многоканальный преобразователь электрических сопротивлений постоянного тока в код интерфейса RS485. Допускает согласованное подключение ТС платиновых или медных по 2-, 3- или 4-проводному способам. Устанавливается на DIN-рейку. . ZET 7020. Измерительный преобразователь сигналов термоэлементов (термопар) в 9 Редакция 04.02.2018 г. Макарычев П.К. ИИТ МЭИ сигналы интерфейса RS485, с гальваническим барьером между входом и выходом Рисунок 1.11 – Примеры вторичных преобразователей и их графемы  Датчики (Д) Преобразуют неэлектрические величины в унифицированный диапазон электрических сигналов или сигналы интерфейсов. Другими словами Д = ПИП+ПИВ. Примечание – В литературе часто под датчиком понимают конструктивно оформленный первичный преобразователь безотносительно к виду формируемых им выходных сигналов; 1. Датчик уровня топлива. Используется в системах, измеряющих и контролирующих количество ГСМ (бензины, дизельное топливо, масла) в стационарных емкостях и баках транспортных средств. Выходной сигнал – интерфейсы RS232/RS485 2. Погружной датчик температуры. Выходной сигнал – сила постоянного тока унифицированного диапазона (4 ... 20) мA (токовая петля). 3. Датчик частоты дыхания. Выходной сигнал – USB-интерфейс. http://td-school.ru/index.php?page=4452#prettyPhoto 4. Датчик магнитного поля. Выходной сигнал – USB-интерфейс. Рисунок 1.12 – Примеры датчиков 1.2.2 Преобразователи электрических величин в электрические 10 Редакция 04.02.2018 г. Макарычев П.К. ИИТ МЭИ Такие преобразователи преобразуют: - основные электрические величины (напряжение, ток) в подобные электрические величины. Это усилители, делители, измерительные трансформаторы (тока или напряжения), другое; - основные электрические величины (напряжение, ток) в сигналы унифицированных диапазонов (U, I)* или сигналы стандартных интерфейсов; Примечание – Редко на выходе таких преобразователей формируется переменный сигнал с унифицированным частотным диапазоном - параметры основных электрических величин (амплитуда, среднеквадратическое значение, мощность, частота, …) в сигналы унифицированного диапазона; - параметры электрических цепей (электрическая ёмкость, индуктивность, электрическое сопротивление) в сигналы унифицированного диапазона. На рисунках 1.13 представлены некоторые варианты таких преобразователей. 1. ТШП-0,66. Измерительные трансформаторы тока: преобразователи силы переменного тока в переменный низкого унифицированного диапазона: (0…1) А, или (0…5) А. 2. Е842А. Преобразователь силы переменного тока в постоянный унифицированного диапазона (0…5 мА). Устанавливается на DIN-рейку. 3. Lumel P21Z. Двухканальный преобразователь силы переменного тока и напряжения переменного тока в: - постоянные напряжение и ток унифицированных диапазонов: (0…5) мА или (0..10) В; - или сигналы интерфейса RS-485. Устанавливается на DIN-рейку. Рисунок 1.13 – Примеры вторичных преобразователей 11 Редакция 04.02.2018 г. Макарычев П.К. ИИТ МЭИ 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 1.14. амперметр с аналоговым способом отображения результата измеритель фазных напряжений с цифровым способом отображения результатов осциллограф с цифровым способом отображения информации Рисунок 1.14 – 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. аналоговый частотомер тестер (авометр) узкопрофильный измеритель Рисунок 1.15 – Примеры аналоговых измерителей 12 Редакция 04.02.2018 г. Макарычев П.К. ИИТ МЭИ  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 1.16 – 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 1.17 – Примеры совмещения цифрового способа отображения с псевдоаналоговым в) Приборы, которые создаются на основе как цифровой, так и аналоговой схемотехники одновременно – приборы с комбинированным способом отображения результатов измерений. 13 Редакция 04.02.2018 г. Макарычев П.К. ИИТ МЭИ Рисунок 1.18 – Пример мультиметра с комбинированным способом отображения результата измерения 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 1.19 – Приборы с графическими способами отображения результатов 1.3.2 Виды приборов, различаемые по способу утилизации результатов измерений  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. 14 Редакция 04.02.2018 г. Макарычев П.К. ИИТ МЭИ  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 1.20 – 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.  Приборы выпрямительной группы. МЭИМ не способен непосредственно измерять переменный ток, однако по ряду причин его также приспосабливают для измерения и переменных сигналов. Для этого его снабжают преобразователями переменного тока в постоянный ток – детекторами.  Электронные приборы Отличительная особенность электронных приборов – наличие в структуре электронного усилителя, обычно – с управляемым коэффициентом усиления 15 Редакция 04.02.2018 г. Макарычев П.К. ИИТ МЭИ (устройство масштабирования вх. тока с переключателем диапазонов), и электронного детектора, который отличается от обычного диодного выпрямителя сложной преобразовательной схемой с дополнительными свойствами.  Цифровые приборы 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 исполнениям  портативные (носимые);  переносные малогабаритные (имеют ручки для переноски);  переносные настольные (стендовые);  встраиваемые (щитовые);  другие. портативный (тепловизор) портативный (тестер) переносной настольный (стендовый) переносные малогабаритные для установки на DIN-рейку 16 Редакция 04.02.2018 г. Макарычев П.К. ИИТ МЭИ встраиваемые в электротехнические щиты (щитовой) сложный измеритель в чемодане размещаемый в электрической розетке осциллографическая USBприставка крейтовые измерительные приборы Рисунок 1.21 – Примеры конструктивных исполнений приборов Здесь представлены основные виды измерительных приборов. Эта область приборостроения постоянно развивается, поэтому уже имеют место и другие разновидности. 17