Виды средств измерений

10.02.2017 г. Макарычев П.К. КУРС ЛЕКЦИЙ: ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА ТЕМА 1. ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ ЛЕКЦИЯ 2 № СОДЕРЖАНИЕ В ВВЕДЕНИЕ. ОCНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МЕТРОЛОГИИ (лекция 1) 1…9 1 ВИДЫ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ (ОБЗОРЫ) 1…41 1.1 Меры (лекция 2) 2 1.2 Измерительные преобразователи (лекция 2) 11 1.3 Измерительные приборы (лекция 3) 27 3 ВИДЫ И ОБЩИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ (лекция 4) 1…7 4 ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ (лекция 5) 1…11 Примечание – 1 Нумерация страниц, рисунков и таблиц сквозная в пределах раздела 1 2 Материал оформлен в соответствии с требованиями ГОСТ 7.32 1 10.02.2017 г. Макарычев П.К. 1 ВИДЫ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ Совокупность приборов, предназначенных для проведения измерений и имеющих специальные – метрологические характеристики, будем называть средствами измерений (СИ). Будем различать пять видов СИ: Рисунок 1.0 – Виды средств измерений Примечание – Измерительные установки в настоящем курсе не рассматриваются, а измерительные системы раскрыты в последней Теме №3. 1.1 Меры Меры воспроизводят физические величины заданного значения с гарантированной точностью. Различают однозначные и многозначные меры. 1.1.1 Однозначные меры Они применяются для проверки метрологических свойств измерителей соответствующего назначения, а также при настройках проектируемых электрических схем. 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 (R – Rд) судят о метрологической состоятельности омметра в данной точке его шкалы и, если, необходимо и возможно – проводится метрологическая подстройка – т.н. калибровка омметра. Меры электрического сопротивления. На рисунках 1.1 представлены примеры современных мер электрических сопротивлений (МЭС) постоянному току, имеющих конструктивные особенности. 2 10.02.2017 г. Макарычев П.К. Рисунок 1.1 – Меры электрического сопротивления Такие МЭС имеют две пары зажимов: - два зажима, обозначенных на рисунке в центре I-I (токовые), служат для подключения МЭС в электрическую схему. При использовании только этих зажимов МЭС выполняет функцию воспроизведения некоторого (указанного на шильде или в паспорте) значения электрического сопротивления; - два других зажима (U-U, напряженческие или измерительные) используются при решении задачи преобразования* измеряемого тока в напряжение. В этом случае ко второй паре зажимов обычно подключается вольтметр с высокоомным входом. Примечание – См. далее раздел «Измерительные преобразователи» На рисунке 1.2 представлена графема (графическое обозначение) такой МЭС. Рисунок 1.2 – Графема четырёхзажимного МЭС Вторая пара зажимов позволяет избежать погрешности, связанной с падением напряжения на неинформативных участках МЭС (выделены красным между токовыми зажимами и изготовленным с высокой точностью резистивным телом Rэт). Учесть влияние этих участков сложно, особенно при малых значениях Rэт, поэтому решение проблемы посредством второй пары зажимов самое эффективное. Примечание – В качестве МЭС в ряде малоответственных случаев могут использоваться прецизионные резисторы с двухпроводным подключением. Т.е. резисторы с высокими метрологическими характеристиками – точностью изготовления, стабильностью характеристик, ... 3 10.02.2017 г. Макарычев П.К. Меры электрического напряжения постоянного тока. На рисунках 1.3 представлены примеры современных мер электрического напряжения постоянного тока, а также их графема (рисунок 1.3в). а б в Рисунок 1.3 – Меры напряжения постоянного тока и их графема Эти меры формируют высокоточные и стабильные значения постоянных напряжений. Функциональное назначение аналогично МЭС. В современном приборостроении существуют меры электрической ёмкости, индуктивности, эталонные источники токов и др. Типовые характеристики мер. Метрологические характеристики, которые имеют в виду в первую очередь при выборе меры: - номинальное значение меры (ЗМН); - класс точности меры; - температурный коэффициент изменения ЗМН; - временная нестабильность ЗМН. Дадим пояснения. Номинальное значение Yном – основная характеристика, с которой начинается выбор меры. Класс точности меры формируется в соответствии с относительной погрешностью δ воспроизведения мерой своего номинального значения. При этом абсолютная погрешность применительно к мере выглядит так: Δ = Yном–Yи ≈ Yном – Yд, где Yи и Yд – истинное и действительное значения меры соответственно. Относительная погрешность меры рассчитывается соответственно выражению δ=Δ/Yном. Таким образом, если, к примеру, заявлен класс точности 0,1, то это означает, что предельно допустимая основная относительная погрешность воспроизведения заявленного значения величины равна δоп = ±0,1%, где: 4 10.02.2017 г. Макарычев П.К. - индекс о. означает – «основная», т.е. погрешность, определённая в нормальных условиях эксплуатации; - индекс п. означает – предельное (максимально возможное) значение погрешности. При приобретении меры следует иметь в виду её температурные условия эксплуатации, т.к. ЗМН зависит от температуры окружающей среды. Эта зависимость характеризуется температурным коэффициентом. Зная коэффициент можно рассчитать дополнительную температурную погрешность для любой температуры так, как это делается для измерительных приборов (лекция 3). Рассмотрим типовые характеристики на примере отечественной меры электрического сопротивления (МЭС) МС3050М, изготавливаемой на предприятии «ЗИП-прибор» в г. Краснодаре. Мера предназначена для применения в качестве государственных эталонов, образцовых и рабочих мер в цепях постоянного и переменного тока. Номинальные сопротивления: – серийно выпускаемые, Ом: 1; 10; 25; 50; 100; 150; 200; 250; 300; 400; 500; 1000; 10 000; 100 000; – любое значение по требованию заказчика в диапазоне от 1 Ом до 100 кОм. Классы точности – 0,0005; 0,002; 0,001. Предельное значение нестабильность ЗМН в течение 1 года до ±0,0001%. Рисунок 1.4 – Вид и основные характеристики МЭС типа МС3050М Температурный коэффициентом сопротивления не превышает значения ±0,2·10-6 1/°С. Рабочий температурный диапазон при этом составляет всего (20±0,5) ºС. Таким образом, чтобы воспользоваться высокими метрологическими свойствами такой МЭС, необходимо решить непростую задачу по обеспечения для неё «комфортной» окружающей среды. В этой связи существуют также ограничения на рассеиваемую мерой мощность – 50 мВ, при превышении которой температура саморазогрева МЭС поднимается до недопустимых значений и метрологические свойства её резко ухудшаются. Мера – средство измерений долговременного использования и она метрологически может не проверяться ежегодно, как другие виды СИ, поэтому для неё важна такая характеристика как нестабильность номинального значения. Для рассматриваемой МЭС указанная нестабильность настолько мала, что 5 10.02.2017 г. Макарычев П.К. обеспечивает приемлемую сохранность (удвоение погрешности) в течение 510 лет. Примечание – Меры другого назначения имеют аналогичные характеристики. 1.1.2 Многозначные меры Многозначные меры за рубежом называют калибраторами. С их помощью можно проводить метрологические испытания измерителей соответствующего назначения не в одной точке шкалы, как в случае с однозначными мерами, а во всём диапазоне измерений или нескольких наиболее актуальных точках. Магазины (электрических) сопротивлений. На рисунке 1.5 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. Для этого магазин подключают ко входу омметра и с помощью семи переключателей добиваются последовательно всех желаемых значений сопротивлений в диапазоне измерений омметра. Разница между показаниями омметром и воспроизведёнными мостом значениями – абсолютная погрешность, не должна превышать предельных допустимых значений в этих точках шкалы, рассчитываемых на основании известного класса точности омметра (про классы точности измерительных приборов см. следующую лекцию). семидекадный секторный переключатель 6 10.02.2017 г. Макарычев П.К. Рисунок 1.5 – Пример магазина сопротивления Магазины (электрических) емкостей и индуктивностей, источник многозначных значений постоянного тока. Серийно выпускаются и другие многозначные меры (калибраторы) электрических величин: емкостей, индуктивностей, постоянного и переменного тока (рисунки 1.6). Многодекадный переключатель Выход Четырёхдекадный секторный переключатель Выход магазин электрических емкостей магазин индуктивностей Модель Time Electronics 1010 служит для создания точного выходного сигнала напряжения при малом внутреннем (выходном) сопротивлении источника. Он имеет пять диапазонов, максимальный до 10 В, и разрешением 0,01 мкВ. Портативность, батарейное и сетевое питание делают модель TE1010 пригодным для использования, как в лабораторных, так в полевых и производственных условиях. многозначный высокоточный источник постоянного напряжения Рисунок 1.6 – Примеры калибраторов электрических величин Многоканальные многофункциональные меры. Такие меры способны воспроизводить значения нескольких величин одновременно. Два примера двухканальных калибраторов представлено на рисунках 1.7. 7 10.02.2017 г. Макарычев П.К. двухканальные магазины: ёмкостей и резисторов Рисунок 1.7 – Примеры двухканальных магазинов электрических величин Многофункциональные меры. Это одноканальные меры (калибраторы), позволяющие поочерёдно воспроизводить значения нескольких физических величин (рисунок 1.8). Малогабаритный переносной калибратор Time Electronics 1017. Воспроизводит значения электрических сопротивлений, силы постоянных тока, напряжения постоянного тока. Рисунок 1.8 – Многофункциональный калибратор типа Типовые характеристики калибраторов. В качестве примера рассмотрим характеристики двух калибраторов: - Time Electronics TE1021 – одноканальный калибратор силы постоянного тока; - Time Electronics TE1044 – многофункциональный калибратор напряжения постоянного тока и силы постоянного тока. 8 10.02.2017 г. Макарычев П.К. TE1021. Представляет собой портативный прецизионный источник постоянного тока, предназначенный для калибровки и испытаний в лабораторных и полевых условиях. № 1 2 3 Диапазоны Шаг установки, воспроизведения мкА 0 ÷ 999,9 мкА 0,1 0 ÷ 9,999 мА 1 0 ÷ 99,99 мА 10 Погрешность, % ±0,05/±0,02 ±0,05/±0,02 ±0,05/±0,02 Пояснение – Запись ±0,05/±0,02 для погрешности воспроизведения значения постоянного тока означает, что погрешность считается так: 0,05% от воспроизводимого значения + 0,02% от предельного значения диапазона. Пример. Пусть воспроизводимое значение, устанавливаемое с помощью четырёхпозиционного переключателя (см. рисунок), равно 8,000 мкА (диапазон 2), тогда абсолютная погрешность воспроизводимого значения будет равна: 8,000 мкА|0,05/100|+9,999 мкА|0,02/100|= ±0,0042 мкА Рисунок 1.9 – Графическое описание калибратора силы постоянного тока TE1021 В техническом описании на калибратор представлены и другие метрологические характеристики: - температурный коэффициент воспроизводимого тока, не более 60 ppm/°С; - долговременная нестабильность воспроизводимого тока, не более 100 ppm за три месяца; Примечание – Единица ppm означает 10-6 (миллионную) часть. - диапазон рабочих температур – минус 10 ºС…+50ºС. TE1044. Представляет собой калибратор, реализующий две функции: воспроизводит напряжение постоянного тока или силу постоянного тока (два режима воспроизведения). Рассматриваемый калибратор может выполнять также функции измерителей напряжения постоянного тока или силы постоянного тока (два режима измерения). 9 10.02.2017 г. Макарычев П.К. 1 2 Диапазоны воспроизведения (и измерения) напряжения 0 ÷ 200 мВ 0÷2В 0 ÷ 20 В Диапазоны воспроизведения (и измерения) тока 0 ÷ 200 мкА 0 ÷ 2 мА 3 0 ÷ 20 мА № 1 2 3 № Шаг установки (ЕМР) Погрешность*) 100 мкВ 1 мВ 10 мВ 0,05% + 2 ЕМР 0,05% + 2 ЕМР 0,05% + 2 ЕМР Шаг установки (ЕМР) Погрешность 100 нА 1 мкА 0,05 + 3 ЕМР 0,05 + 3 ЕМР 10 мкА 0,05 + 3 ЕМР Рисунок 1.10 – Графическое описание калибратора напряжения и тока TE1044 Примечание – Ещё одна разновидность нормирования погрешности. Здесь 0,05% – так же, как и на рисунке 1.9 – процент от воспроизводимого значения, а ЕМР – единица младшего разряда. Для разных диапазонов воспроизведения/измерения она разная (см. в таблице выше). Так для токового диапазона № 2 она равна 1 мкА. Температурный коэффициент (характеристики температурной нестабильности) воспроизводимых напряжений и токов не превышает значения 200 ppm/°С. 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 1.11 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 ампли- 10 10.02.2017 г. Макарычев П.К. тудой, длительностью и коэффициентом заполнения. 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 1.11 – Примеры программируемых калибраторов 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 1.12. Х – преобразуемая величина (всегда слева от тела графемы), Y – преобразованная величина (всегда справа от тела графемы) Рисунок 1.12 – 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 1.13). 11 10.02.2017 г. Макарычев П.К. Рисунок 1.13 – ТС. Изображение, конструкция и графема ТС выпускаются трёх видов: двухпроводные, трёхпроводные и четырёхпроводные (рисунок 1.14). Назначение вариантов более подробно представлено в лекции 13. Рисунок 1.14 – ТС. Схемно-конструктивные варианты Термоэлектрический преобразователь (термопара, ТП). Эти преобразователи также воспринимают температуру (точнее – разность температур), но преобразуют её в напряжение низкого уровня (рисунок 1.15). 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. 12 10.02.2017 г. Макарычев П.К. Рисунок 1.15 – Графическое описание ТП Расходомеры. Первичные преобразователи расхода предназначены для преобразования расхода жидкости в пропорциональную по величине расхода ЭДС. Преобразователи предназначены для работы в составе теплосчётчиков. Рисунок 1.16 – Примеры расходомеров  Вторичные измерительные преобразователи (ПИВ) ПИВ преобразуют сигналы первичных преобразователей в 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, …). Примечание – Интерфейсами называют устройства, предназначенные для обмена информацией между источниками и приёмниками. Источник информации может быть одновременно и приёмником. Информация передаётся аналоговым или цифровым, провод- 13 10.02.2017 г. Макарычев П.К. ным 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. Модуль MCR-T-UI-E-NC – 2814126: программируемый измерительный температурный преобразователь, для 2-, 3- или 4-проводных первичных преобразователей с термоэлементом и/или термометром сопротивления, с гальванической развязкой вход/выход. Применяемый тип первичных преобразователей (термопар): U, T, L, J, E, K, N, … Имеет унифицированные выходные сигналы в виде силы постоянных токов или напряжений постоянного тока. Устанавливается на DIN-рейку. Рисунок 1.17 – Графическое описание измерительного модуля ПИВ  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; 14 10.02.2017 г. Макарычев П.К. 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. 5. Датчик освещённости. Выходной сигнал – USB-интерфейс. 6. Датчик влажности. Выходной сигнал – USB-интерфейс. 15 10.02.2017 г. Макарычев П.К. 7. Датчик влажности и температуры. Выходной сигнал – ток унифицированного диапазона (4 …20) мА (токовая петля). 8. Датчики расхода воздуха. Выходной сигнал – RS232-интерфейс http://www.sensorica.ru/d3-1c.shtml 9. Датчик углекислого газа. Выходной сигнал – I2C-интерфейс Рисунок 1.18 – Примеры датчиков Примечание – Часто датчиками бездумно называют также малогабаритные первичные преобразователи, которые наряду с интерфейсом имеют выход на цифровое отсчётное устройство (дисплей; рисунки 1.19). В соответствии с отечественными стандартами такой преобразователь по формальным признакам должен относиться к измерительным приборам. 1. QFM3171D. Датчик влажности и температуры. Выходной сигнал – напряжение постоянного тока унифицированного диапазона (0 … 10) В. Альтернативный способ выдачи информации – цифровой дисплей. 16 10.02.2017 г. Макарычев П.К. 2. Датчик влажности и температуры. Выходной сигнал – интерфейс Ethernet. Альтернативный способ выдачи информации – цифровой дисплей. 3. Датчик углекислого газа. Выходной сигнал – ток унифицированного диапазона (4 …20) мА. Альтернативный способ выдачи информации – цифровой дисплей. 4. ЕЕ244. Многоканальный датчик температуры, влажности и углекислого газа. Выходной сигнал – радиоканал с несущей 2,4 ГГц. Протокол IEEE 802.15.4. Альтернативный способ выдачи информации – цифровой дисплей. Рисунок 1.19 – Примеры датчиков с цифровым дисплеем 1.2.2 Преобразователи электрических величин в электрические 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 – Изредко на выходе таких преобразователей формируется переменный сигнал с унифицированным частотным диапазоном 17 10.02.2017 г. Макарычев П.К. - 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 1.20 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. 4. КЭИ-м. Бесконтактный преобразователь тока (токоизмерительные клещи) в напряжение постоянного тока унифицированного диапазона (0…1) В. Рисунок 1.20 – Примеры вторичных преобразователей 18 10.02.2017 г. Макарычев П.К. 1.2.3 Типовые характеристики измерительных преобразователей Главная характеристика измерительного преобразователя – номинальная функция преобразования Y = fном (Х): Рисунок 1.21 – Графема (измерительного) преобразователя Она может быть задана в виде формулы, таблицы или графика. Частный случай – линейная функция, проходящая через начало координат. Здесь для описания достаточен номинальный коэффициент преобразования (рисунок 1.22): Sном = Y . X Рисунок 1.22 – Идеальная функция преобразования (измерительного) преобразователя Для измерительных преобразователей остаются в силе понятия о трёх формах выражения погрешности – абсолютная Δ, относительная δ и приведённая γ; понятия об основной погрешности Δо и о дополнительных погрешo ностях Δд; понятия о систематической Δс и случайной  составляющих. Но, кроме того, здесь действуют ещё два, которых нет у измерительных приборов, мер и калибраторов: погрешность на входе Δвх и погрешность на выходе Δвых. Рисунок 1.23 – Два вида погрешностей преобразования измерительных преобразователей 19 10.02.2017 г. Макарычев П.К. Синяя линия – номинальная функция преобразования, которой мы располагаем, а красная – реальная, которая, вообще говоря, нам не известна. Сначала обратимся к левому рисунку. Если на выходе преобразователя мы получили, например, – измерили некоторое значение выходного сигнала Yизм, то, пользуясь номинальной функцией, мы «думаем», что на входе действует сигнал со значением Хном. На самом же деле его действительное значение Хд. Абсолютная погрешность на входе («измеренного» в данном случае заменено на «номинальное»): Δвх = Хном – Хд. Такую погрешность называют «приведённой ко входу преобразователя». Теперь посмотрим на правый рисунок. Пусть входной сигнал имеет некоторое действительное значение Хд. На выходе ему соответствует сигнал со значением Yизм, которое можно измерить. Значение же выходного сигнала Yном можно ещё назвать идеальным: оно было бы на выходе, если бы преобразователь был без погрешностей. В некотором смысле оно аналогично действительному, а точнее говоря, истинному значению в случае измерительного прибора: прибор показал бы это значение, если бы он измерял без погрешностей. Абсолютная погрешность на выходе («измеренное минус действительное – в данном случае номинальное»): Δвых = Yизм – Yном. Такую погрешность называют «приведённой к выходу преобразователя». Рассмотрим подробнее, как нормируются погрешности у серийно выпускаемой продукции применительно к различным видам преобразователей. 1.2.3.1 Характеристики преобразователей неэлектрических величин в электрические Первичные преобразователи.  Термоэлектрические преобразователи (термопары) В современной практике широко используются термопары различного исполнения. Они имеют буквенные обозначения: K, J, N, E, T, S, R, B и др. Они отличаются функцией преобразования, диапазоном измерения, областью применения. 20 10.02.2017 г. Макарычев П.К. Рисунок 1.24 – Термопара и её графема Так, например, термопара типа J имеет одну проволоку из железа, а другую – из медно-никелевого сплава (Ni-Cu). На рисунке 1.25 в графической и табличной формах представлены для сравнения функции преобразования (фрагменты полных шкал) трёх термопар: K, J и N. Термопары позволяют измерять и отрицательные температуры. При этом полярность выходного напряжения меняется! Рисунок 1.25 – Функции преобразования термопар (фрагменты) Следует обратить внимание, что погрешность преобразования термопар (таблица 1.1) может задаваться в абсолютной или относительной форме (здесь эти погрешности приведены к выходу термопары). При этом термопары в соответствии со стандартами могут выпускаться двух классов точности: 1-го – более высокого, и 2-го. Так для J-термопары 1-го класса абсолютная погрешность преобразования в диапазоне температур от -40ºС до 375ºС не превышает ±1,5ºС. 21 10.02.2017 г. Макарычев П.К. Таблица 1.1 – Диапазоны и погрешности преобразования нескольких типов термопар  Термометры сопротивления Термометры сопротивления (ТС) преобразуют температуру в сопротивление постоянному току. Рисунок 1.26 – Термометр сопротивления и его графема для четырёхпроводного исполнения В качестве примера рассмотрим платиновые ТС. Они, как известно, наиболее точные и стабильные. Они могут выпускаться в различных конструктивных вариантах, но характеристики должны соответствовать требованиям стандартов. Серийно выпускаются ТС, имеющих одно из четырёх номинальных сопротивлений – сопротивление при нулевой температуре (tº = 0ºС). Это Pt50 с номинальным сопротивлением 50 Ом, Pt100 с номинальным сопротивлением 100 Ом, Pt500 с номинальным сопротивлением 500 Ом и Pt1000 – 1000 Ом. В таблице 1.2 представлены актуальные метрологические характеристики отдельно для проволочного исполнения преобразователя и плёночного. Предельная допустимая погрешность ТС имеет абсолютный вид, зависит от из- 22 10.02.2017 г. Макарычев П.К. меряемой температуры, приведена к выходу и рассчитывается для актуального диапазона преобразования по формуле. Таблица 1.2 – Метрологические характеристики платиновых ТС Примечание – В выражении для погрешности (допуска) t – значение измеряемой температуры. Вторичные преобразователи. Характеристики рассмотрим на примере преобразователя типа ЦР9007. Рисунок 1.27 – Графическое описание преобразователя ЦР9007 Преобразователь допускает подключение трёх видов ТС: платиновых, медных и никелевых. Типовые характеристики представлены в таблице 1.3. Таблица 1.3 – Характеристики подключаемых ТС Тип ТС ТСП (платиновые) ТПМ (медные) ТПН (никелевые) Pt50 Pt100 Cu50 Cu100 Диапазон измерения (преобразования), ºС - 50…+300 - 50…+150 - 50…+200 - 50…+140 Диапазон изменения сопротивления, Ом 40,16 …106,02 80,31 …157,33 39,35 …92,61 78,69 …159,66 Ni100 - 50…+90 74,21 … 154,91 Условное обозначение ном. характеристики Пределы допускаемой основной абсолютной погрешности измерения сопротивления равны ±0,2 Ом (при сопротивлении каждого провода соединения с ТС от 0 до 1,0 кОм). 23 10.02.2017 г. Макарычев П.К. Предел допускаемой дополнительной погрешности, вызванной изменением температуры окружающей среды от нормальной до любой температуры в пределах рабочих температур на каждые 10°C, не более ±0,1 Ом. Датчики. Датчик температуры QAE2164.015 (рисунок 1.28) имеет два унифицированных выходных сигнала: напряжение в диапазоне (0…+1) В, сила постоянного тока в диапазоне (4…20) мА. Диапазон измерения (преобразования) – (0…100) ºС. Предельная абсолютная погрешность преобразования не превышает ±1ºС. Рисунок 1.28 – Внешний вид и графема датчика температуры QAE2164.015 с токовым и напряженческим выходами 1.2.3.2 Характеристики преобразователей электрических величин в электрические  ТШП-0,66. Измерительные преобразователи тока (измерительные трансформаторы тока) Обозначения: Л1-Л2 – первичная обмотка ТТ, И1-И2 – вторичная (измерительная) обмотка ТТ. Рисунок 1.29 – Внешний вид и графема преобразователя ТШП-0,66 Рассматриваемое семейство измерительных трансформаторов тока (ТТ), предназначено для использования в электрических сетях с напряжениями до 0,66 кВ. Могут иметь различные входные (Iвх.ном) и выходные (Iвых.ном: 1, 2 или 5 А) номинальные токи. 24 10.02.2017 г. Макарычев П.К. Для нормальной работы ТТ необходимо обеспечить во вторичной цепи нагрузку, которая должна находится в установленном документами диапазоне: между минимальным и максимальным значением. Для ТТ различают два вида погрешностей: токовую и угловую. Токовая погрешность нормируется для ТТ как отношение предельного значения абсолютной погрешности преобразования к номинальному значению выходного (вторичной обмотки) тока. Выражается в процентах: i,п=100·Δi,п/Iвт.ном. Где Iвт.ном – номинальное среднеквадратическое значение тока вторичной обмотки. Угловая погрешность обусловлена возникающим при преобразовании временным сдвигом вектора тока во вторичной обмотке к вектору первичного тока. Нормируется в угловых минутах. В таблице 1.4 представлен фрагмент метрологических характеристик рассматриваемого семейства ТТ. Таблица 1.4 – Основные метрологические характеристики ТТ рассматриваемого семейства Класс точности 0,1 0,2 0,2S*) Ток первичной обмотки, ном., А 5 20 100 или 120 5 20 100 или 120 1 5 20 или 100 или 120 Предел допустимой погрешности токовой, % угловой, минуты 0,4 0,2 0,1 0,75 0,35 0,2 0,75 0,35 0,2 15 8 5 30 15 10 30 15 10 Диапазон нагрузок, % 25…100 Примечание – Класс точности 0,2S предусмотрен для измерителей коммерческого назначения. У таких преобразователей предельная погрешность i,п не должна меняться в широком диапазоне преобразования: от 100% до 20% входного сигнала (номинального первичного тока).  КЭИ-м. Преобразователь силы переменного тока в унифицированный диапазон напряжения постоянного тока Рисунок 1.30 – Внешний вид и графема преобразователя КЭИ-м 25 10.02.2017 г. Макарычев П.К. Основные технические характеристики преобразователя Таблица 1.5 – Основные характеристики преобразователя Характеристика Значение Диапазон измеряемых токов, в зависимости от модели, А Допустимая перегрузка по измеряемому напряжению, разы Диапазон значений выходного сигнала, В Основная приведенная погрешность преобразования, не более, % 0...20, 0...50, 0...100, 0...200, 0...400 2 0…1 3  Е842А. Преобразователь силы переменного тока в унифицированный диапазон напряжения постоянного тока Рисунок 1.31 – Внешний вид и графема преобразователя Е842А Таблица 1.6 – Основные характеристики преобразователя Тип Е842А Е842С Диапазоны вх. тока, А 0…0,5 0…1,0 0…2,5 0…5 Диапазоны вых. тока, мА Диапазоны значений нагрузки, Ом Пределы основной приведённой погрешности, % 0…5 0…1000…1400…2500 ±1,0 0…20 0…200…300…500 ±0,5 Примечание – Нормальная область значений сопротивления нагрузки подчёркнута 26