авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
-- [ Страница 1 ] --

УДК 621.3(075.8)

МИНОБРНАУКИ РОССИИ ББК 31.2я73

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

У 91

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СЕРВИСА»

(ФГБОУ ВПО «ПВГУС»)

Кафедра «Современное естествознание»

Рецензент к.т.н., доц. Воловач В. И.

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС по дисциплине «Электротехнические измерения»

для студентов технических специальностей СПО Учебно-методический комплекс по дисциплине « Элек тротехнические измерения» / сост. В. Н. Козловский. – У Тольятти : Изд-во ПВГУС, 2012. – 200 с.

Для студентов технических специальностей СПО.

Одобрено Учебно-методическим Советом университета Составитель Козловский В. Н.

© Козловский В. Н., составление, © Поволжский государственный университет сервиса, Тольятти СОДЕРЖАНИЕ Аннотация………………………………………………………………………………………….... Содержание учебно-методического комплекса……….…………………...................................... 1. Рабочая учебная программа дисциплины…………………………………………………… 1.1. Цели и задачи дисциплины………………………………...……………………………. 1.2. Место дисциплины учебном процессе…………………………………………...……... 1.3. Структура и объем дисциплина…... ………………………………………………….… 1.4. Содержание дисциплины…………………………...…………………………………… 1.5. Требования к уровню освоения дисциплины и формы текущего и промежуточного контроля………………………………………………………. 1.6. Содержание самостоятельной работы……………………………………...…..……… 2. Конспект лекций……................…………………………………………………………….….. 3. Лабораторный практикум…………………………………………………...……………….. 3.1. Лабораторная работа № 1. Определение метрологических характеристик электроизмерительных приборов…………………………………………………………………. 3.2. Лабораторная работа № 2 Поверка амперметра и вольтметра методом сличения.……………………………….…………………………………... 3.3. Лабораторная работа № 3. Измерение средних сопротивлений одинарным мостом постоянного тока……............................................................................ 3.4. Лабораторная работа № 4. Измерения при помощи электронного осциллографа…………………………………………………………………….………….. 3.5. Лабораторная работа № 5. Применение масштабных измерительных преобразователей………………………………………………………………………...….. 3.6. Лабораторная работа № 6. Поверка однофазного электронного счетчика………. 3.7. Лабораторная работа № 7. Измерение полных сопротивлений электронными приборами ……………………………………………………………….…. 4. Учебно-методическое обеспечение дисциплины...………………………...……………….. 4.1. Перечень основной и дополнительной литературы…………………………………… 4.2. Методические рекомендации преподавателю…………………………………………. 4.3. Методические указания студентам по изучению дисциплины…………………….…. 4.4. Материально-техническое обеспечение дисциплины…………………………….…… 4.5. Программное обеспечение использования современных информационно коммуникативных технологий ……………………………………………………………….. 4.6. Учебно-технологическая карта дисциплины…………….……………………………… АННОТАЦИЯ Учебно-методический комплекс по дисциплине « Электротехнические измерения»

разработан в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта среднего профессионального образования РФ для студентов специальности 230106. «Техническое обслуживание средств вычислительной техники и компьютерных сетей», утвержденного Министерством образования и науки РФ.

СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА Учебно-методический комплекс по дисциплине « Электротехнические измерения» для студентов технических специальностей СПО предназначен для изучения основополагающих разделов дисциплины. Комплекс включает в себя:

рабочую учебную программу, раскрывающую содержание основных дидактических единиц дисциплины согласно ГОС по специальности 230106.51, а также содержащую требования к уровню освоения программы и формы текущего и промежуточного контроля и содержание самостоятельной работы студентов;

учебно-методическое пособие, включающее тематический план изучения дисциплины, конкретизирующий содержание дидактических единиц РУП и имеющий ссылки на основную учебную литературу. Также учебно-методическое пособие содержит руководство по практическим занятиям по разделам дисциплины « Электротехнические измерения», выполняемым согласно учебному плану направления, включающее краткие теоретические сведения по рассматриваемым темам, примеры решения, задачи и упражнения для самостоятельного решения, контрольные вопросы. В учебно-методическое пособие включен лабораторный практикум из 7 лабораторных работ, выполняемых в 4 семестре и содержащий работы по разделу « Электротехнические измерения»;

учебно-методическое обеспечение дисциплины, содержащее перечень основной и дополнительной литературы, методические рекомендации преподавателю и студентам, учебно-методическую карту дисциплины, материально-техническое программное обеспечение дисциплины.

1. РАБОЧАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ 1.1. Цели и задачи дисциплины Целью дисциплины «Электротехнические измерения» является изучение в соответствии с государственным образовательным стандартом направления вопросов организации и проведения электротехнических измерений: понятие об измерениях и единицах физических величин;

основные виды средств измерений и их классификация;

методы измерений;

метрологические показатели средств измерений;

погрешности измерений;

приборы формирования стандартных измерительных сигналов;

измерение тока, напряжения и мощности;

исследование формы сигналов, измерение параметров сигналов;

измерение параметров и характеристик электрорадиотехнических цепей и компонентов;

влияние измерительных приборов на точность измерений;

автоматизация измерений.

Место дисциплины в учебном процессе: дисциплина «Электротехнические измерения»

относится к циклу общепрофессиональных. Понимание принципов проведения электроизмерительных работ обеспечивает формирование теоретических и практических навыков у студентов в решении практических задач связанных и измерением электрических величин. Освоение дисциплины позволяет сформировать целостную систему научных и инженерных знаний у студентов специальности 230106.51, подготавливает выпускника для последующей производственной деятельности в сфере технического обслуживания средств вычислительной техники и компьютерных сетей.

В процессе изучения дисциплины студент должен получить знания об специфики организации и проведения электроизмерительных работ.

Для изучения дисциплины «Электротехнические измерения» студентам необходимо освоить дисциплины: «Физика», «Метрология, стандартизация и сертификация», «Электротехника», и цикла математических дисциплин направления;

полученные в ходе изучения дисциплины знания используются в общепрофессиональных и специальных дисциплинах.

1.2. Место дисциплины в учебном процессе Курс базируется на ранее изучавшихся дисциплинах: «Физика», «Метрология, стандартизация и сертификация» «Электротехника», «Высшая математика».

Дисциплины, учебные курсы, для которых необходимы знания, умения, навыки, приобретаемые в результате изучения данной дисциплины – «Электропитание средств вычислительной техники», «Техническое обслуживание средств вычислительной техники».

1.3. Структура и объем дисциплины Распределение фонда времени по семестрам, неделям, видам занятий № Количество часов по плану Количество часов в неделю Самостоятельна семе я работа стра всего лекци практ. лабор. всего лекци практ. лабор. часов часов недель Число и занят. занят. и занят. занят. всего в неделю 82 32 32 1, 4 18 18 - 3 1 - 82 32 Итого по о/о 18 1.4. Содержание дисциплины Распределение фонда времени по темам и видам занятий Аудиторные занятия Самостоятельная работа Лабораторные Практические № Наименование разделов по темам Всего п/п Лекции 4 семестр 2 1. Понятие об измерениях и единицах физических величин: 2 - общие сведения;

основные определения.

2 2. 2 - Основные виды средств измерений и их классификация.

3. Методы измерений: основные сведения из теории: прямое и 2 - 4 косвенное измерения;

совместные и совокупные измерения;

измерение корреляционно связанных величин;

метод непосредственной оценки;

нулевой метод;

дифференциальный метод;

метод замещения.

2 4. Метрологические показатели средств измерений: вариация;

1 - чувствительность;

надежность.

2 5. Погрешности измерений. Основные понятия. 1 - 2 6. Приборы формирования стандартных измерительных 2 - сигналов: низкочастотные генераторы;

аттенюатор;

высокочастотные и сверхвысокочастотные генераторы;

импульсные генераторы.

2 7. Измерение тока, напряжения и мощности. 1 - 4 8. Исследование формы сигналов. 1 - 4 4 9. Измерение параметров сигналов: общие сведения;

2 измерение частоты и периода повторения сигнала;

измерение фазового сдвига;

измерение коэффициента нелинейных искажений;

измерение амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников.

10. Измерение параметров и характеристик 2 - 4 электрорадиотехнических цепей и компонентов: общие сведения;

метод амперметра—вольтметра;

мостовой метод;

метод дискретного счета;

резонансный метод;

измерение параметров полупроводниковых диодов транзисторов, транзисторов и интегральных микросхем.

11. Влияние измерительных приборов на точность измерений. 1 - 2 4 2 12. Автоматизация измерений: общие положения;

1 информационно-измерительные системы;

измерительно вычислительные комплексы;

виртуальные приборы;

интеллектуальные измерительные системы.

32 Итого 18 1.5. Требования к уровню освоения дисциплины и формы текущего и промежуточного контроля Текущий и промежуточный контроль знаний осуществляется путем проведения тестирований, контрольных работ, решения задач на практических занятиях и в ходе подготовки к ним, отчетов по выполненным лабораторным работам. В связи с этим, для успешного освоения дисциплины студентам необходимо:

– регулярно посещать лекционные занятия;

– осуществлять регулярное и глубокое изучение лекционного материала, учебников и учебных пособий по дисциплине;

– активно работать на практических и лабораторных занятиях;

– выступать с сообщениями по самостоятельно изученному материалу;

– участвовать с докладами на студенческой конференции.

Текущий контроль знаний осуществляется путем выставления балльных оценок за выполнение тех или иных видов учебной работы (отчет по лабораторным работам, прохождение тестирования, контрольной работы и т.п.).

Промежуточный контроль знаний студентов осуществляется в форме межсессионной аттестации. Межсессионная аттестация проводится в сроки и в соответствии с требованиями действующего Положения о проведении межсессионной аттестации в Университете.

Уровень знаний оценивается баллами, набранными студентами в контрольных точках.

Балльная оценка соответствующих контрольных точек приводится ниже в технологической карте дисциплины.

Итоговый контроль знаний по дисциплине проводится в форме письменного зачета.

Для подготовки к зачету студенты используют приводимый ниже перечень вопросов для подготовки к зачету, который соответствует содержанию ГОС дисциплины. Вместе с тем, конкретная формулировка вопросов, не выходя за пределы изученных на аудиторных занятиях и в ходе самостоятельной работы материалов, может отличаться от представленного перечня.

Примерный перечень вопросов для подготовки к зачету по дисциплине «Электротехнические измерения»

1. Что такое метрология?

2. Чем отличаются электронные измерения от электрических?

3. Что такое измерение?

4. Каково назначение образцовых приборов?

5. Каково назначение рабочих приборов?

6. Что такое физическая величина?

7. Что такое истинное значение физической величины?

8. Что такое мера?

9. Каково назначение эталона?

10. Что такое цена деления шкалы прибора?

11. Что такое чувствительность прибора и как она определяется?

12. Как определяется диапазон измерения параметра у прибора?

13. Как определяется частотный диапазон прибора и для чего он необходим?

14. Как классифицируются шкалы электромеханических приборов?

15. Может ли погрешность средства измерения быть равной нулю?

16. Может ли погрешность измерения быть равной нулю?

17. Погрешность какого измерения больше — прямого или косвенного?

18. Перечислите погрешности средств измерения.

19. Какая погрешность определяет класс точности прибора?

20. Какой прибор измеряет с меньшей погрешностью: 6-го класса точности (1,0%) или 8-го класса точности (2,5%)?

21. Какую четверть шкалы аналогового прибора следует использовать для получения наименьшей погрешности измерения?

22. В какой четверти шкалы прибора действительная относительная погрешность измерения будет наибольшей?

23. Приведите характеристики основной и дополнительной погрешностей.

24. Перечислите причины возникновения случайной погрешности.

25. Перечислите причины возникновения систематической погрешности.

26. Перечислите способы уменьшения систематической погрешности?

27. Что такое погрешность измерения?

28. Перечислите способы уменьшения случайной погрешности.

29. Как зависит приведенная относительная погрешность от показания прибора?

30. Приведите правило включения амперметра в исследуемую цепь.

31. Каково назначение шунтов?

32. Как изменяется сопротивление амперметра с подключением шунта?

33. Как шунт подключается к амперметру?

34. Амперметры какой системы чаще используются при измерении силы постоянного тока?

35. Амперметры какой системы используются при измерении силы переменного тока высоких частот?

36. Какие правила необходимо соблюдать при измерении силы тока высоких частот?

37. Приведите эквивалентную схему амперметра для измерения силы тока низких частот.

38. Приведите эквивалентную схему амперметра для измерения силы тока высоких частот.

39. Перечислите основные параметры амперметра.

40. Какое требование предъявляется к внутреннему сопротивлению амперметра?

41. Почему нельзя использовать электромеханический амперметр электродинамической системы при измерении силы переменного тока высоких частот?

42. Перечислите достоинства амперметров магнитоэлектрической системы.

43. Перечислите недостатки амперметров магнитоэлектрической системы.

44. Сколько шунтов содержит электромеханический амперметр с пятью пределами измерения?

45. В чем состоит принципиальное отличие вольтметра от амперметра?

46. Как вольтметр включается в цепь?

47. Каково назначение добавочных резисторов?

48. Что необходимо сделать для расширения диапазона измерения напряжения электромеханического вольтметра?

49. Перечислите достоинства и недостатки электромеханических вольтметров.

50. По каким признакам классифицируются электронные аналоговые вольтметры?

51. По каким структурным схемам строятся электронные аналоговые вольтметры?

52. Перечислите достоинства и недостатки электронных аналоговых вольтметров.

53. Почему вольтметры типа У—Д имеют высокую чувствительность?

54. Почему вольтметры типа Д—У имеют широкий частотный диапазон?

55. Каковы преимущества электронных цифровых вольтметров по сравнению с электронными аналоговыми?

56. Зачем электронные аналоговые вольтметры имеют шкалу градуированную в децибелах?

57. По каким основным метрологическим характеристикам выбирают вольтметр?

58. В каких единицах измеряется напряжение?

59. Что представляют собой мультиметры?

60. Какими приборами можно измерить мощность в цепях постоянного тока?

61. Какими приборами можно измерить мощность в цепях переменного синусоидального тока промышленных частот?

62. Каким методом можно измерить малую мощность в СВЧ- диапазоне?

63. Каким методом можно измерить большую мощность в СВЧ- диапазоне?

64. Что необходимо знать при определении мощности импульсного сигнала?

65.Перечислите достоинства и недостатки электродинамических ваттметров.

66. К какой группе и подгруппе относятся ваттметры поглощаемой мощности?

67. Какую часть энергии потребляют ваттметры проходящей мощности?

68. Каковы достоинства ЦИП по сравнению с АИП?

69. Перечислите недостатки ЦИП по сравнению с АИП.

70. Что такое дискретизация?

71. Что такое квантование?

72. Что такое кодирование сигнала?

73. Какие сигналы используются в электронике?

74. Приведите определение ЦИП.

75. В чем состоят преимущества дискретных и цифровых сигналов в ЦИП по сравнению с аналоговыми?

76. По какому параметру выполняется дискретизация?

77. Перечислите основные параметры ЦИП.

78. Как классифицируются АЦП?

79. Каков диапазон частот ГНЧ?

80. Какую функцию выполняет задающий генератор в составе ГНЧ?

81. Какой тип задающего генератора используется в ГНЧ?

82. Почему LC-генераторы не применяются на низких частотах?

83. Каково назначение высокочастотных генераторов?

84. В чем состоит отличие модулирующей и несущей частот?

85. Какие параметры сигнала регулируются в широких пределах в ГИ?

86. Что такое скважность импульсного сигнала?

87. Перечислите виды осциллографических разверток.

88. Каким требованиям должна соответствовать непрерывная линейная развертка?

89. Для исследования каких процессов используют непрерывную линейную развертку?

90. Для исследования каких процессов используют ждущую линейную развертку?

91. Перечислите достоинства осциллографов.

92. Как обеспечивается неподвижность осциллограммы при использовании линейной (пилообразной) развертки?

93. Что такое синхронизация развертки?

94. Приведите определение частоты сигнала.

95. Приведите определение периода повторения сигнала.

96. Назовите достоинства и недостатки двухканальных фазометров.

97. В чем состоит измерение коэффициента г?

98. Что представляет собой АЧХ?

99. По каким признакам классифицируются характериографы?

100. Перечислите достоинства аналоговых мостов.

101. Перечислите недостатки аналоговых мостов.

102. Какие методы измерения параметров цепей относятся к низкочастотным?

103. Какие методы измерения параметров цепей относятся к высокочастотным?

104. Где применяют метод V—А при измерении параметров R, L, С?

105. Что такое вольт-амперная характеристика полупроводникового диода?

106. Какие электрические параметры определяют прямую ветвь ВАХ диода?

107. Какие электрические параметры определяют обратную ветвь ВАХ диода?

108. Какие системы параметров транзисторов применяются на практике?

109. Как проверяются линейные ИМС?

110. Почему необходима автоматизация измерений?

111. Приведите классификацию ИИС.

112. Каков принцип построения современных ИИС?

113. Чем отличаются централизованные ИИС от децентрализованных?

114. Перечислите разновидности централизованных ИИС.

115. Расскажите о виртуальных приборах.

116. Каковы достоинства и недостатки виртуальных приборов по сравнению с микропроцессорными?

По результатам проведенного контроля выставляется зачет:

«зачет» – студентам, овладевшим целостными знаниями по дисциплине, активно работающим на лабораторных занятиях, постоянно и творчески выполняющим индивидуальные задания, свободно использующим знаниями, полученными в результате самостоятельной работы (91 балл и выше);

студентам, владеющим знаниями по основным и дополнительным вопросам дисциплины, активно работающим на лабораторных занятиях, выполняющим различные индивидуальные задания, в достаточной мере разбирающимся в знаниях, полученных в ходе самостоятельной работы (76–90 баллов);

студентам, владеющим основными вопросами по тематике дисциплины, выполняющим лабораторные работы на достаточном уровне, в основном разбирающимся в темах дисциплины, вынесенных на самостоятельное изучение (60–75 баллов);

«не зачет» – студентам, не посещающим аудиторные занятия без уважительной причины, не владеющим основными вопросами изучаемой дисциплины, выполняющим лабораторные работы на низком уровне, слабо разбирающихся в вопросах, вынесенных на самостоятельное изучение (менее 60 баллов).

1.6. Содержание самостоятельной работы В разделе «Самостоятельная работа» раскрывается содержание каждого вида самостоятельной работы и указывается время, необходимое для его выполнения.

Распределение самостоятельной работы студентов по темам с указанием времени № Количество Наименование темы п/п часов 1. Общие сведения и понятие об измерениях и единицах физических величин.

2. Классификация средств измерения.

3. Основные сведения из теории электротехнических измерений.

4. Метрологические показатели средств измерений: вариация;

чувствительность;

надежность.

5. Основные понятия погрешности измерений.

6. Низкочастотные генераторы;

аттенюатор;

высокочастотные и сверхвысокочастотные генераторы;

импульсные генераторы.

7. Измерение тока, напряжения и мощности.

8. Исследование формы сигналов.

9. Общие сведения об измерениях параметров сигналов. 10. Общие сведения об измерениях параметров и характеристик электрорадиотехнических цепей и компонентов.

11. Общие положения влияния измерительных приборов на точность измерений.

12. Информационно-измерительные системы;

измерительно вычислительные комплексы;

виртуальные приборы;

интеллектуальные измерительные системы.

Итого Самостоятельная работа выполняется в течение всего семестра изучения дисциплины (4 семестр – 32 час.) и предусматривает самостоятельное изучение по учебной литературе отдельных вопросов вышеназванных тем дисциплины, подготовку студентов по конспектам лекций, учебной и учебно-методической литературе к лабораторным занятиям и индивидуальным заданиям по дисциплине, и/или упражнениям для самостоятельного решения.

Содержание каждого вида самостоятельной работы и вида контроля Наименование темы. Содержание Вид самостоят. контроля Изучаемые вопросы работы 1. Общие сведения и понятие об измерениях и единицах физических величин.

Понятия: измерение;

мера;

эталон;

физическая величина;

Работа с Конспект, значение физической величины;

единица физической величины;

литературой. решение кратная единица;

дольная единица;

истинное значение;

задач, измеренное значение;

измерительный прибор. защита Литература: [1], c. 14 -18;

[2], с. 9-11. лаборатор ных работ 2. Классификация средств измерения.

Электромеханические приборы;

электронные приборы;

Работа с Конспект, аналоговые и цифровые приборы;

приборы прямого действия;

литературой. решение приборы сравнения;

рабочие приборы;

образцовые приборы. задач, Литература: [1], c. 18 -19;

[2], с. 12-14. защита лаборатор ных работ 3. Основные сведения из теории электротехнических измерений.

Прямые и косвенные измерения;

совместные и совокупные Работа с Конспект, измерения;

измерения корреляционно связанных величин;

метод литературой. решение непосредственной оценки;

нулевой метод. задач, Литература: [3], c. 6 -16. защита лаборатор ной работы 4. Метрологические показатели средств измерений.

Вариация;

чувствительность;

надежность;

вероятность Работа с Конспект, безотказной работы. литературой. тестирова Литература: [5], c. 65-75. ние 5. Основные понятия погрешности измерений.

Погрешность результата измерения;

погрешность средства Работа с Конспект, литературой. опрос на измерения;

основная погрешность;

дополнительная лекции погрешность;

систематическая погрешность;

погрешности прямых измерений.

Литература: [1], c. 24 - 30;

[2], с. 15-16.

6. Низкочастотные генераторы;

аттенюатор;

высокочастотные и сверхвысокочастотные генераторы;

импульсные генераторы.

Общие сведения;

принцип установки частоты задающего Работа с Конспект, генератора;

структурная схема цифрового ГНЧ;

структурная литературой. тестирова схема цифрового ГВЧ;

структурная схема цифрового СВЧ;

ние Литература: [1], c. 38 - 46;

[2], с. 97-111.

7. Измерение тока, напряжения и мощности.

Измерение силы постоянного тока и тока низких частот;

Работа с Конспект, измерение силы переменного тока низких частот;

измерение литературой. защита силы тока высоких частот;

измерение напряжения постоянного лаборатор и переменного тока. ных работ Литература: [1], c. 73 - 104;

[2], с. 36-71.

8. Исследование формы сигналов.

Электромеханические (вибраторные, шлейфовые) и Работа с Конспект, электронные осциллографы;

двухлучевые, двухканальные, литературой. защита скоростные, стробоскопические, запоминающие и цифровые лаборатор осциллографы;

методика измерения параметров сигналов ных работ осциллографом;

осциллографические развертки.

Литература: [1], c. 46 - 70;

[2], с. 122-129.

9. Общие сведения об измерениях параметров сигналов.

Измерение частоты и периода повторения сигнала;

измерение Работа с Конспект, фазового сдвига;

измерение коэффициента нелинейных литературой. защита искажений;

измерение амплитудно-частотных характеристик лаборатор четырехполюсников. ных работ Литература: [1], c. 127 - 160;

[2], с. 179-182.

10. Общие сведения об измерениях параметров и характеристик электрорадиотехнических цепей и компонентов.

Цепи с сосредоточенными постоянными;

цепи с Работа с Конспект, распределенными постоянными;

метод амперметра— литературой. защита вольтметра;

мостовой метод;

метод дискретного счета;

лаборатор резонансный метод;

измерение параметров полупроводниковых ных работ диодов транзисторов, транзисторов и интегральных микросхем.

Литература: [1], c. 107-125;

[2], с. 179-197.

11. Общие положения влияния измерительных приборов на точность измерений.

Смещенный интервал неисключенных остатков;

анализ влияния Работа с Конспект, приборов на точность измерений;

источники возникновения литературой. защита проблем с точностью измерения;

оценка результирующей лаборатор составляющей неисключенных остатков систематической ных работ погрешности.

Литература: [3], c. 36-48.

12. Информационно-измерительные системы;

измерительно-вычислительные комплексы;

виртуальные приборы;

интеллектуальные измерительные системы.

Информационно-измерительные системы;

измерительно- Работа с Конспект, вычислительные комплексы;

виртуальные приборы;

литературой. защита интеллектуальные измерительные системы. лаборатор Литература: [1], c. 181-191. ных работ 2. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ Тема 1. Понятие об измерениях и единицах физических величин.

Общие сведения. Электротехнические измерения представляют собой совокупность электрических и электронных измерений, которые можно рассматривать как один из разделов метрологии. Название «метрология» образовано от двух греческих слов: metron — мера и logos — слово, учение;

дословно: учение о мере. В современном понимании метрологией называют науку об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Огромное количество измерений производится с помощью разных по принципу действия и точности средств измерения. Результаты измерений, полученные экспериментаторами в разное время и в разных местах, должны быть сопоставимы между собой. Необходимо также обеспечить единство измерений в масштабах каждого предприятия и всего государства в целом. Поэтому органы метрологического надзора наделены законодательными функциями. Нормативно-техническая документация разрабатывается с учетом норм и правил выполнения измерений, а также требований, направленных на достижение единства измерений. Порядок разработки и испытаний средств измерения, термины, определения, единицы физических величин и правила их применения унифицированы и узаконены стандартами Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ) и другими обязательными к применению нормативными документами.

Результат измерения любой физической величины представляет собой значение этой физической величины, полученное путем ее измерения. Результат измерения состоит из двух частей: числа, определяющего соотношение между измеряемой величиной и единицей измерения, и наименованием единицы измерения.

Запись любого результата измерения должна содержать пробел в один символ между частями, в противном случае может появиться неоднозначность ее прочтения:

запись 100 Ом может быть понята как 1000 ми т.д.

Электронные измерения, как и электрические, сводятся в конечном счете к измерению силы тока, напряжения, мощности и частоты. Однако при этом имеют ряд существенных особенностей.

1. Спектр частот электромагнитных колебаний, используемый в электронике, простирается от сверхнизких частот (доли Гц) до частот, соответствующих инфракрасным и световым волнам (десятки ГГц). В зависимости от частоты для измерения одной и той же величины требуются измерительные приборы, различные по конструкции и принципу действия. Например, для измерения мощности при постоянном токе необходимо знать силу тока и падение напряжения на данном участке цепи или сопротивление:

(1.1) В области ВЧ и СВЧ понятия силы тока и напряжения теряют физический смысл (из-за большой погрешности измерения), поэтому о мощности судят по энергии, преобразованной в тепло, свет и пр.

Кроме того, на разных частотах сами элементы цепи могут иметь также различные свойства. Например, идеальный конденсатор без потерь можно представить эквивалентной схемой, показанной на рис. 1.1, а в виде последовательного соединения собственно конденсатора С и катушки индуктивности L C, создаваемой его выводами.

Рис. 1.1. Эквивалентная схема идеального конденсатора без потерь ( а ) и график зависимости сопротивлений x L, х с, z от частоты/(б) Зависимость индуктивного и емкостного сопротивления конденсатора выражается известными формулами:

(1.2) а общее сопротивление конденсатора формулой (1.3) На рисунке 1.1, б показана зависимость сопротивлений хь хс и 2 идеального конденсатора от частоты f, из которой следует, что на частотах от нуля до резонансной комплексное сопротивление 2 имеет отрицательный характер, т.е. выполняет роль конденсатора, а на частотах общее сопротивление конденсатора имеет положительный характер, т.е. теряет свои свойства и играет роль катушки индуктивности.

2. Диапазон изменения измеряемых величин очень широк: по мощности — от долей микроватт (10-6) до десятков и сотен мегаватт (106);

по напряжению — от долей микровольт (10-6) до десятков киловольт (103);

по времени — от нескольких пикосекунд (10-12) до нескольких секунд. Такие широкие диапазоны не могут быть перекрыты приборами одного типа, одной конструкции или одного принципа действия.

3. Из-за широкого частотного диапазона измеряемых величин возникают серьезные трудности при устранении влияния разного рода паразитных индуктивностей и емкостей.

4. Необходимо измерять малые токи, протекающие по большим сопротивлениям, в то время как при электрических измерениях приходится измерять большие токи, протекающие по сравнительно малым сопротивлениям. С этой особенностью связаны наиболее жесткие требования к значению входного сопротивления электронных вольтметров.

5. Необходимо измерять множество параметров, не встречающихся при электрических измерениях: добротность Q, длительность импульса tи тангенс потерь tg и др.

6. Основным объектом исследования в электронике является электрический сигнал, в связи с чем возникает необходимость наблюдения формы и спектра электрических колебаний, а также генерирования их копий. В практике электронных измерений нашли широкое применение приборы, позволяющие наблюдать и регистрировать такие колебания: осциллографы, анализаторы спектра, характериографы;

а в качестве источников электрических сигналов применяются измерительные генераторы.

7. Сложность структуры современных электронных устройств и систем, а также множество параметров, описывающих их работу, приводят к разнообразию измерений даже в одном эксперименте, что обусловило необходимость их комплексного проведения быстро и точно, т.е. решения вопроса об автоматизации измерений. Основные понятия, термины, определения. Основные метрологические понятия, термины и определения формулируются государственными стандартами.

Измерение — это процесс нахождения значения физической величины опытным путем с помощью специальных средств. В зависимости от способа получения результата измерения делятся на прямые и косвенные.

При прямых измерениях искомая физическая величина определяется непосредственно по индикатору прибора: напряжение — вольтметра, частота — частотомера, сила тока — амперметра. Прямые измерения очень распространены в метрологической практике.

При косвенных измерениях интересующая нас величина находится расчетным путем по результатам измерений других величин, связанных с искомой величиной определенной функциональной зависимостью. Например, измерив силу тока и напряжение, на основании известной формулы можно определить мощность:

(1.4) Косвенные измерения также часто применяются в метрологической практике.

Мера (прибор) — это средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. По своему метрологическому значению, по той роли, которую они играют в деле обеспечения единообразия и верности, меры делятся на образцовые и рабочие.

Эталон — это тело или устройство самой высокой точности, служащее для воспроизведения и хранения единицы физической величины и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме. Примером точности эталона может служить Российский государственный эталон времени, погрешность которого за 30 000 лет не будет превышать 1с.

Физическая величина — это свойство, общее в качественном отношении для множества объектов, физических систем, их состояний и происходящих в них процессов, но индивидуальное в количественном отношении для каждого из них. По принадлежности к различным группам физических процессов физические величины делятся на электрические, магнитные, пространственно-временные, тепловые и пр.

Значение физической величины — это оценка физической величины в принятых единицах измерения (например, 5 мА — значение силы тока, причем 5 — это числовое значение). Именно этот термин применяют для выражения количественной характеристики рассматриваемого свойства. Не следует говорить и писать «величина силы тока», «величина напряжения», поскольку сила тока и напряжение сами являются величинами. Следует использовать термины «значение силы тока», «значение напряжения».

При выбранной оценке физической величины ее можно охарактеризовать истинным и действительным (измеренным) значением измеряемой физической величины.

Единица физической величины — это физическая величина, которой по определению присвоено стандартное числовое значение, равное единице. Единицы физических величин подразделяются на основные и производные.

Из-за большого диапазона реальных значений большинства измеряемых физических величин применение целых единиц не всегда удобно, поскольку в результате измерений получаются большие или малые их значения. Поэтому в системе измерений СИ (SI — система интернациональная) установлены дольные и кратные единицы. В Рос сии действует ГОСТ 8.417—2002 «ГСН. Единицы физических величин», устанавливающий международную систему единиц СИ. В приложении приведены единицы физических величин, используемые в электротехнике и электронике, а также соотношения кратных или дольных единиц и основных единиц. Эти соотношения образуются с помощью множителей.

Кратная единица физической величины всегда больше основной (системной) в целое число раз. Например, мегаом (106 Ом), киловольт (103) Дольная единица физической величины меньше основной (системной) в целое число раз. Например, нанофарад (10 9 Ф), микроампер (106 А).

Истинное (действительное) значение физической величины — это значение, свободное от погрешности. Нахождение истинного значения является главной проблемой метрологии, так как погрешности при измерении неизбежны. В связи с этим на практике за истинное значение принимают показание образцовой меры (прибора), погрешность которой пренебрежимо мала по сравнению с погрешностью применяемых рабочих мер (приборов).

Измеренное значение физической величины — это значение величины, отсчитанное по рабочей мере (прибору).

Измерительный прибор — это средство измерения, в результате применения которого измеряемая физическая величина становится показанием.

Измерительные приборы, используемые в электронике, по принципу действия подразделяются на электромеханические и электронные. В электронных аналоговых измерительных приборах в качестве стрелочных индикаторов часто используются электромеханические приборы.

Литература: [1], c. 14 -18;

[2], с. 9-11.

Тема 2. Основные виды средств измерений и их классификация По принципу действия все измерительные приборы делятся на две группы:

электромеханические приборы, используемые в цепях постоянного тока и • на низких частотах;

электронные приборы, используемые в цепях постоянного тока и во всем • диапазоне частот.

По способу выдачи результата измерительные приборы подразделяются на аналоговые и цифровые:

аналоговые (со стрелочным индикатором, самопишущие), показания • которых являются непрерывной функцией измерения и измеряемой величины;

цифровые, показания которых образуются в результате автоматического • вырабатывания дискретных сигналов измерительной информации, представленной в цифровой форме.

Различают измерительные приборы прямого действия и приборы сравнения.

Приборы прямого действия отображают измеряемую величину на индикаторе в единицах этой величины. Изменения рода физической величины в процессе измерения не происходит. К таким приборам относятся амперметры и вольтметры.

Приборы сравнения (компараторы) служат для сравнения измеряемых величин с величинами, значения которых известны. По назначению приборы делят на рабочие и образцовые. Рабочие приборы предназначены только для измерения во всех областях хозяйственной деятельности.

Образцовые приборы служат для поверки и градуирования рабочих приборов.

Погрешность измерения образцовых приборов на 1—2 порядка меньше по сравнению с рабочими приборами.

Стоимость прибора напрямую связана с погрешностью измерения: если прибор имеет погрешность в 10 раз меньше, то стоит такой прибор в 10 раз дороже. Использовать образцовые приборы для массовых измерений экономически нецелесообразно, поэтому в лабораториях учебных заведений и на производстве применяются в основном рабочие приборы.

Шкалы АИП классифицируются по следующим признакам. По признаку равномерности различают равномерные (линейные) и неравномерные шкалы:

• равномерная шкала — это шкала с делениями постоянной длины и с постоянной ценой деления (рис. 2.1, а). Такую шкалу имеют электромеханические приборы только магнитоэлектрической системы;

• неравномерная шкала — это шкала с делениями непостоянной длины и с непостоянной ценой деления (рис. 2.1, б). Такую шкалу имеют электромеханические приборы выпрямительной, электромагнитной, электродинамической, ферродинамической, электростатической, термоэлектрической систем.

Рис. 2.1. Шкалы аналоговых приборов: равномерная (а), неравномерная (б), прямая (б), обратная (г), односторонняя (с)), двухсторонняя (е), безнулевая (ж) По признаку направления градуирования различают прямые и обратные шкалы:

прямая шкала градуирована слева направо, т.е. нуль на шкале расположен • слева (рис 2.1, в). Такая шкала является самой распространенной в АИП;

обратная шкала градуирована справа налево, т.е. нуль на шкале • расположен справа (рис. 2.1, г). Такая шкала используется, например, в аналоговых мультиметрах при отсчете значения сопротивления резисторов и емкости конденсаторов.

По положению нуля на шкале и направлению движения стрелки индикатора различают односторонние, двухсторонние и безнулевые шкалы:

односторонняя шкала — это шкала, стрелка индикатора которой при • измерении отклоняется только в одну сторону от нуля (рис. 2.1, д). Такая шкала является самой распространенной;

двухсторонняя шкала — это шкала, стрелка индикатора при измерении • которой отклоняется как влево, так и вправо от нуля. Причем отклонение влево от нуля дает отрицательные значения измеряемой величины, а отклонение вправо — положительные (рис. 2.1, е). Такую шкалу имеют индикаторы аналоговых измерительных мостов и гальванометры;

безнулевая шкала — это шкала, на которой отсутствует нулевая отметка • (рис. 2.1, ж). Такую шкалу имеют электромеханические частотомеры, генераторы, градуированные по частоте, длительности импульсов, временному сдвигу.

Основные показатели шкал приборов. Электромеханические и электронные аналоговые измерительные приборы (АИП) достаточно широко распространены в метрологической практике. Приборы и их шкалы характеризуются рядом основных показателей.

Деление шкалы — это промежуток между двумя соседними отметками шкалы.

Цена деления шкалы (постоянная прибора) с указывает число единиц измеряемой величины, приходящееся на одно деление шкалы (рис.2.2):

(2.1) где А1, А2 — соседние оцифрованные деления;

n — количество делений между двумя цифрами.

Рис. 2.2. Определение цены деления шкалы На примере (см. рис. 2.2) цена деления шкалы составляет В неравномерной шкале цену деления находят на участке шкалы (только не в начале) между двумя соседними оцифрованными делениями.

Шаг шкалы — это интервал оцифрованных делений на шкале прибора. Например, если на шкале индикатора нанесены оцифрованные деления 0—10—20—30—40—50, то шаг шкалы равен 10.

Рабочий участок шкалы АИП — это участок, в пределах которого погрешность прибора не выходит за указанный класс точности. Для шкалы миллиамперметра, показанной на рис. 2.3, а, рабочим участком является участок от 10 до 50 мА (он же является диапазоном измерения в однопредельном приборе). Для шкалы вольтметра, показанной на рис. 2.3 б, рабочим участком является участок от 3 до 10 В. На рабочем участке завод-изготовитель приборов гарантирует заявленный класс точности с первого оцифрованного деления шкалы аналогового индикатора.

Рис. 2.3. Шкалы аналоговых приооров с разными рабочими участками: миллиамперметра (а), и вольтметра (б) Коэффициент шкалы кш для однопредельных приборов всегда равен единице, а в многопредельных приборах имеет свое конкретное значение на каждом пределе.

Коэффициентом шкалы называют отношение предельных значений двух пределов измерений: изначального, на который градуирован прибор, и текущего, включенного для конкретного измерения. Например, в трехпредельном миллиамперметре с пределами 5— 20—100 мА шкала прибора (рис. 2.4) градуирована для одного предела — 5 мА. Для трех пределов коэффициент шкалы будет разным: 1—4—20 соответственно. В результате при отклонении стрелки на показатель «3» (по шкале «5») прибор покажет: 3-12-60 мА.

Рис. 2.4. Шкала трехпредельного миллиамперметра 0...400 Гц Номинальное значение шкалы Ап определяется по формуле (2.2) где Аmах — верхний предел шкалы;

А т i n — нижний предел шкалы.

В приборах с односторонней шкалой В приборах с двухсторонне й шкалой В приборах с безнулевой шкалой Чувствительность s прибора по измеряемому параметру показывает число делений шкалы, приходящееся на единицу измеряемой величины, т.е. является величиной, обратной цене деления:

(2.3) Чувствительность многопредельного прибора определяют на самом малом пределе измерения.

Частотный диапазон прибора необходимо знать для правильного его использования и для получения наименьшей погрешности измерения. Частотный диапазон — это полоса частот, в пределах которой погрешность прибора, полученная при изменении частоты сигнала, не превышает допустимого предела. Различают приборы для работы в цепях постоянного тока, переменного тока и универсальные (используемые в цепях постоянного и переменного тока).

Для приборов, работающих в цепях постоянного тока, частота равна пулю;

для приборов, работающих в цепях переменного тока, и универсальных приборов на шкале индикатора и в паспорте обычно указывается частотный диапазон.

Внутреннее сопротивление прибора (амперметра, вольтметра) обычно указывается в паспорте и на лицевой панели (прямо или косвенно). Для амперметров характерно малое сопротивление RA, для вольтметров — большое сопротивление Rв.

Потребляемая прибором мощность определяется по следующим формулам:

для амперметра (2.4) а для вольтметров (2.5) Чем потребляемая мощность меньше, тем точнее измерение. Потребляемый вольтметром ток выражается формулой:

(2.6) падение напряжения на амперметре формулой (2.7) Рабочее положение прибора может быть разным.

горизонтальным (на шкале обозначается символами или );

• вертикальным (на шкале обозначается символами или );

• наклонным (на шкале обозначается символом с указанием угла наклона).

• Если допускается любое рабочее положение, то обозначение отсутствуют.

Род тока, для работы на котором предназначен прибор, обозначается на шкале:

постоянный ток — символом ;

• переменный ток— символом ;

• трехфазный ток — символом • На шкалу универсального прибора наносится символ Предел измерений параметра — это наибольшее значение диапазона измерений.

Диапазон измерений параметра — это область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности АИП.

Литература: [1], c. 18 -19;

[2], с. 12-14.

Тема 3. Методы измерений Чтобы ответить на вопрос "что измеряем ?", необходимо параметру модели сопоставить измеряемую величину. Например, исследуемый объект переменный ток, измеряемая величина амплитудное значение тока ( I m ), модель – мгновенные значения переменного тока, описываемые синусоидой:

i = I m sin( t + ). (3.1) Для обеспечения единства измерений требуется значения измеряемых величин выражать в единицах физических величин, применяемых в России. Согласно ГОСТ 8.417 81 "ГСИ. Единицы физических величин" основными единицами являются: метр (м) единица длины;

килограмм (кг) единица массы;

секунда (с) единица времени;

ампер (А) единица силы тока;

кельвин (К) единица термодинамической температуры;

моль (моль) единица количества вещества;

кандела (кд) единица силы света.

Ответ на вопрос "как измеряем ?" содержится в рассмотрении видов и методов измерения.

В зависимости от способа обработки экспериментальных данных измерений для получения результата различают следующие виды измерений прямые, косвенные, совместные, совокупные и измерения корреляционно связанных величин.

Прямое измерение это измерение, при котором значение величины находят непосредственно из опытных данных в результате выполнения измерения.

Пример прямого измерения измерение вольтметром напряжения источника.

Косвенное измерение это измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. При косвенном измерении значение измеряемой y = F ( x1,x2,x3,...,xn ), где величины получают путем решения уравнения x1,x2,x3,...,xn значения величин, полученные в результате прямых измерений.

Пример косвенного измерения сопротивление резистора находят из выражения U R=, в которое подставляют результат прямых измерений падения напряжения U и I протекающего через резистор тока I.

Для определения погрешностей измерения при косвенном виде измерений используется зависимость:

y y (3.2) y = x1 + x2 +..., x1 x y y,... модули частных производных функции по переменным x1,x2... ;

где x1 x x1, x2... абсолютные погрешности прямых измерений.

y = 4 ax 3 + 5Z ;

у = 4 x 3 a + 12 ax 2 x + 5 Z.

Например:

Совместные измерения одновременные измерения значений нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними.

Например, требуется определить градуировочную характеристику термосопротивления. Выбирается зависимость вида Rt = R0 ( 1 + At + Bt ). Измеряется сопротивление при трех различных значениях температуры. Из системы трех уравнений определяют R0, А, В.

Совокупные измерения одновременные измерения нескольких значений одноименных величин, при которых искомое значение находят решением системы уравнений, составленных по результатам прямых измерений различных сочетаний значений этих величин.

Например, необходимо измерить сопротивления Rab,Rbc,Rca, включенные по Rвх1, Rвх 2, Rвх схеме треугольника. Прямым методом измеряют сопротивления (рис.3.1), составляют систему уравнений с тремя неизвестными:

( Rвс + Rса )Rав Rвх1 = ;

Rав + Rвс + Rса ( Rав + Rса )Rвс (3.3) Rвх 2 = ;


Rав + Rвс + Rса ( Rав + Rвс )Rса Rвх 3 =.

Rав + Rвс + Rса a Rвх Rвх Rса Rав в c Rвс Rвх Рис. 3.1. Пример совокупного метода измерения Решение системы уравнений позволяет найти искомые сопротивления Rab,Rbc,Rca.

Измерение корреляционно связанных величин измерение значений семейства функций хk (t) и уk (t), являющихся реализациями процессов Рх и Ру с целью установления взаимосвязи между ними.

Наличие взаимосвязи выражается в том, что в определенный момент времени t существует такой параметр, при котором реализации процессов Рх и Ру совмещаются наилучшим способом.

Параметр, характеризующий "связь" между двумя процессами, выражается коэффициентом корреляции. Для дискретно заданных реализаций процессов коэффициент корреляции определяется следующей зависимостью:

1n xk (t ) y k (t ) n k = =, (3.4) 1n n xk (t ) y k (t ) n k =1 n k = где n число составляющих реализаций физического процесса.

Если = 1, то случайные функции х (t), у (t) называются полностью коррелированными, если = 0, то процессы являются не коррелированными между собой.

Примерами физических процессов и их реализации являются, например, изменение температуры воздуха как функция высоты k-го слоя во времени хk (t) – или изменение амплитуд гармонических составляющих напряжения в тяговой сети uk (t) при прохождении электровоза на заданном участке.

Методы измерения выделяются в зависимости от их взаимодействия с мерой, их классификация показана на рис. 3.2.

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ Непосредственной оценки Сравнения с мерой Замещения Дифференциальный Совпадения Нулевой Рис. 3.2. Классификация методов измерения При методе непосредственной оценки значение измеряемой величины определяется по отсчетному устройству измерительного прибора, шкала которого заранее проградуирована при помощи многозначной меры.

Методы сравнения с мерой основаны на применении в схеме измерения меры известной величины, однородной с измеряемой.

При нулевом методе измерения разность измеряемой и известной величин сводится к нулю, что фиксируется нуль-индикатором – высокочувствительным прибором.

При высокой точности мер и высокой чувствительности нуль-индикатора может быть достигнута высокая точность измерений.

Широкое применение метод нашел для измерения сопротивлений с помощью одинарных мостов постоянного тока.

Одинарными мостами называют четырехплечие мосты с питанием от источника постоянного тока. Они применяются для точных измерений сопротивлений.

Принципиальная схема моста Р-333 приведена на рис.3.3.

r Г "Г" r r r "Точн rx "Грубо " E _ + Рис. 3.3. Принципиальная схема одинарного моста Р- Сопротивления rx, r1, r2 и r составляют плечи моста. Сравнительное плечо r представляет собой четырехдекадный плавнорегулируемый магазин сопротивлений с верхним пределом измерения 9999 Ом (1000 9 + 100 9 + 10 9 + 9). Плечи отношения r1/r2 содержат восемь катушек сопротивлений. При помощи переключателя плеч различные комбинации соединений этих катушек позволяют получить r1/r2 = n = 100;

10;

1;

0,01;

0,001;

0,0001. В диагонали моста включаются источник питания и нуль индикатор. Внутренняя батарея питания, состоящая из пяти элементов, расположена в кассете на лицевой панели моста. В качестве нуль-индикатора в мост вмонтирован магнитоэлектрический гальванометр, включаемый в схему при помощи кнопок "Г" и "Грубо" или "Т" и "Точно". Измеряемое сопротивление подключается к мосту с помощью зажимов "1 – 2 – 3 – 4".

Измерение сопротивления rx состоит в том, что при нажатой кнопке "Г", а затем "Т" изменяют r, r1, r2 и добиваются равновесия моста (отсутствия тока гальванометра).

r При этом rx r2 = r1 r ;

rx = 1 r = nr.

r При измерении сопротивлений от 10 до 9999 Ом rx подключается к зажимам 2 – 3, а 1 – 2 замыкаются перемычкой, зажимы 3 – 4 при этом соединяются автоматически (рис.3.4). В данном случае rx измеряется вместе с сопротивлениями контактов и соединительных проводов rп.

Вносимая погрешность незначительна, так как схема применяется при rx, больших 10 Ом. При измерении мостом малых сопротивлений (меньше 10 Ом) на результат измерения существенное влияние оказывает сопротивление соединительных проводов и контактов.

r Г r r2 r r r E _ + Рис. 3.4. Двухпроводная схема включения моста Для уменьшения этого влияния используют четырехпроводную схему включения (рис.3.5), снимая перемычку 1 – 2.

r Г r r2 rn 4 rn rx E rn rn _ + Рис. 3.5. Четырехпроводная схема моста Сопротивления двух соединительных проводов rn2, rn4 (от зажимов 2 и 4) входят в сопротивления плеч моста r, r1, значения последних значительно больше сопротивлений проводов. Сопротивления двух других проводов rn1, rn3 (от зажимов 1 и 3) включены в цепь источника питания гальванометра. В уравнение равновесия они не входят и, следовательно, не вносят погрешности в результат измерения rx.

При дифференциальном методе разность измеряемой величины и величины известной определяется при помощи измерительного прибора.

Примером измерения дифференциальным методом является измерение напряжения Ux постоянного тока при помощи дискретного делителя R напряжения U и вольтметра V (рис.3.6) Ux V Ux U R U Рис.3.6. Схема измерения напряжения дифференциальным методом Неизвестное напряжение: U x = U о + U x, где U о известное напряжение на делителе;

U x разность напряжений, измеренная вольтметром.

Широкое применение дифференциальный метод нашел в компенсационных приборах. Принципиальная схема высокоомного компенсатора постоянного тока приведена на рис. 3.7.

Ux НЭ x EНЭ SA Г rн d a b r Eвсп rвсп Рис. 3.7. Принципиальная схема высокоомного компенсатора Образцовые сопротивления rн и r, вспомогательный источник Eвсп и регулируемое сопротивление rвсп образуют рабочую цепь. Измерение при помощи компенсатора начинают с установки рабочего тока в этой цепи. Переключатель SA ставят в положение "НЭ", при этом гальванометр Г подключается последовательно с нормальным элементом Eнэ, являющимся образцовой мерой ЭДС. Изменяя rвсп, устанавливают такой ток через сопротивления rн и r, при котором выполняется условие U ab = Irн = E нэ, и ток через гальванометр будет равен нулю. В этом случае ЭДС нормального элемента Eнэ компенсируется падением напряжения, созданным рабочим током I на сопротивлении rн.

Установив рабочий ток, подключив к зажимам Ux измеряемое напряжение и поставив переключатель SA в положение "x", изменяют сопротивление r до тех пор, пока гальванометр не покажет отсутствие тока. В этом случае измеряемая ЭДС Ex (или измеряемое напряжение Ux) компенсируется падением напряжения, созданным рабочим током на сопротивлении rbd. Тогда U bd = Irbd = U x, при этом величина rвсп не должна изменяться. Решая совместно уравнения, получим:

E (3.5) U x = нэ rbd.

rн Основным достоинством компенсационного метода является то, что при компенсации от источника измеряемой ЭДС или напряжения не потребляется ток, т. е.

величина ЭДС или напряжения измеряется без погрешностей, обусловленных потреблением электрической энергии компенсатором. Кроме того, измеряемые E x или U x сравниваются непосредственно с ЭДС нормального элемента, поэтому измерения на компенсаторе обеспечивают высокую точность, которую нельзя достигнуть при работе с приборами непосредственной оценки, что позволяет использовать его для проверки лабораторных приборов.

При методе замещения производится поочередное подключение на вход прибора измеряемой и известной величин, по двум показаниям прибора оценивается значение известной величины.

Высокая точность измерения достигается в том случае, когда прибор на выходе дает одинаковые показания измеряемой и известной величин. Примером метода замещения является схема для измерения неизвестного сопротивления электронным осциллографом по измеренным падениям напряжения на образцовом и неизвестном сопротивлениях.

Для измерения активных и комплексных сопротивлений методом сравнения с известным сопротивлением R0 применяют схему, приведенную на риc.3.8. При измерении активного сопротивления rx ключ К должен быть замкнут. На вход осциллографа поочередно подается падение напряжения на rx или rо. Регулировкой rо добиваются равенства этих напряжений, что соответствует rx = rо.

rД SA 1 T rx V N r k r1=100 OM Рис. 3.8. Схема измерения сопротивления методом замещения Для измерения комплексного сопротивления в схеме (см. рис. 3.8) вместо rx включается неизвестное сопротивление zx и аналогично предыдущему определяются значения r01 и r02 для замкнутого и разомкнутого ключа К.

По известному r1 и полученным значениям r01 и r02 графически или аналитически определяются составляющие комплексного сопротивления (r и x).

1. Радиусом ОВ = mr01 проводится окружность с центром O в начале координат (рис.3.9), здесь m масштаб сопротивления.

2. По оси абсцисс влево от точки О откладывается OA = mr1.

3. Считая точку А центром, радиусом АВ = mr проводят дугу до пересечения с окружностью (В,D). Точка B соответствует индуктивному, а точка D – емкостному характеру измеряемого сопротивления.

4. Отрезок ОВ (или OD) проектируется на оси координат. Тогда искомые значения r и x можно определить так:

OM ON r= ;

x=.

m m +j N B M A + D Риc. 3.9. Определение комплексного сопротивления методом замещения Для определения необходимых величин можно воспользоваться соотношениями, полученными на основании рассмотренных геометрических построений:

r02 + r12 + r 2 r= ;

x = r01 r 2.

(3.6) 2r Рассмотренный метод позволяет производить измерение сопротивлений от единиц ом до сотен килоом в диапазоне частот до 100 кГц.

При методе совпадения измеряют разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Примером этого метода является измерение индуктивности при помощи электронного прибора E7-9 резонансного типа. При совпадении измеряемой индуктивности с образцовой индикаторная лампа прекращает мигание и переходит в режим свечения. Измеряемая индуктивность получается равной известной индуктивности прибора, участвующей в измерении.


Появление цифровых измерительных приборов (ЦИП) коренным образом изменило представление о возможностях измерительной техники. Заняв прочное место в практике измерений, они непрерывно развиваются, вызывая большой интерес пользовате лей. Казалось, что аналоговые приборы «доживают» свой век. Однако это далеко не так.

Применение ЦИП ограничивается спецификой обработки результатов, от которой зависят точность показаний при измерении среднеквадратичных значений напряжения, инерционность, невозможность фиксировать мгновенные изменения, происходящие в це пях, погрешности, связанные с системой индикации, зависящей от числа квантования и разрядности шины управляющего процессора и разрядности собственно цифрового индикатора (ЦИ). Поэтому необходимо иметь сведения о работе не только современных ЦИП, но и электромеханических приборов магнитоэлектрической и других систем.

ЦИП — это средство измерения, в котором непрерывный (аналоговый) сигнал автоматически преобразуется в цифровой сигнал измерительной информации. По сравнению с аналоговыми измерительными приборами (АИП) цифровые имеют ряд преимуществ:

• удобство отсчета значений измеряемого параметра;

• исключение субъективной ошибки оператора;

• возможность полной автоматизации измерений;

• высокая скорость измерений;

• возможность вывода результата измерений на ЭВМ.

Однако АИП просты и надежны. В случаях когда оператору необходимо следить за уровнем изменяющихся во времени сигналов, АИП более удобны, благодаря наглядности информации об изменениях значения параметра, его минимальном значении, приближении к конкретному пороговому уровню и т.д.

Используемые в электронике сигналы можно разделить на аналоговые, дискретные и цифровые (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Сигналы, используемые в электронике: а — аналоговый;

б — дискретный;

в — цифровой В технике измерений широко используются импульсные измерительные приборы, устройства и системы, принцип работы которых основан на использовании дискретных сигналов. Простейшей математической моделью дискретного сигнала uJX(t) является последовательность точек на оси времени, в которых заданы значения соответствующего непрерывного сигнала.

Цифровой сигнал является разновидностью дискретного сигнала. В таком сигнале дискретные значения заменяются числами (чаще всего в двоичном коде), представляющими высокий (единица) и низкий (нуль) уровень напряжения.

Главным преимуществом ЦИП являются более высокий КПД и мощность потребления по сравнению с АИП, что объясняется ключевым режимом работы активных (усилительных) элементов (АИП работают в линейном режиме). В ключевом режиме достигается большая мощность в течение действия импульсов при малой средней мощности, потребляемой схемой, что заметно сказывается на снижении массогабаритных размеров ЦИП и повышении их надежности.

Принципы построения. Аналоговый входной сигнал (сигнал измерительной информации), характеризующий физический процесс, преобразуется в аналого цифровом преобразователе (АЦП) в последовательность импульсов, которые далее обрабатываются цифровым устройством. Это преобразование выполняется по одному из трех вариантов: дискретизация, квантование или кодирование.

АЦП является важной частью ЦИП и представляет собой устройство, автоматически преобразующее аналоговую измеряемую величину в дискретную с последующим цифровым кодированием. В зависимости от схемы построения АЦП можно разделить па три группы: последовательные, параллельные, последовательно параллельные.

Использование интегральных микросхем высокой степени интеграции заметно расширило функциональные возможности ЦИП, повысило их надежность и одновременно снизило потребляемую мощность. Большинство ЦИП автоматически выбирают пределы измерения, что позволяет уменьшить погрешность измерения при большом динамическом диапазоне входного сигнала.

Дискретизация — это процесс преобразования аналогового входного сигнала в дискретный. Преобразование можно выполнять по времени или по уровню.

Дискретизация по времени выполняется путем взятия отсчетов сигнала в определенные детерминированные моменты времени. В результате от входного сигнала остается только совокупность отдельных значений. Промежуток времени между двумя моментами дискретизации называется шагом дискретизации. Как правило, моменты отсчетов по оси времени выбираются равномерными, т.е. шаг дискретизации постоянен.

Квантование — это дискретизация по уровню. Квантование состоит в том, что непрерывное по времени и амплитуде значение заменяется ближайшим фиксированным значением по установленной шкале дискретных уровней. Эти разрешенные уровни образованы но определенному закону с помощью мер. Разность между двумя дис кретными уровнями называется шагом квантования. Шаг квантования может быть постоянным и переменным.

Дискретизация аналогового сигнала по времени целесообразна при измерении его значения во времени. Если входной сигнал неизменен, то выполняют квантование.

Особым случаем является измерение временного интервала, когда дискретизация не имеет смысла и обеспечивается квантование собственно времени, а последующее преобразование обеспечивается кодированием.

Кодирование — это процесс представления „численного значения величины определенной последовательностью цифр или сигналов, т.е. кодом. Для преобразования цифрового кода в напряжения, воздействующие на цифровой индикатор и формирующие показания ЦИП, используются дешифраторы.

Цифровой код — это последовательность сигналов или цифр, изменяющихся по определенному закону, которая обеспечивает условное представление численного значения параметра.

Описанные преобразования поясняются графиками, представленными на рис. 3.11.

Входной сигнал представляет собой аналоговый сигнал во времени (см.

рис. 3.11, а). Дискретизация выполняется с интервалом. Моменты дискретизации обозначены на рисунке цифрами 1, 2,..., 9. На практике такое преобразование можно обеспечить путем амплитудной модуляции входным сигналом. Последовательность коротких импульсов задается периодом. Значения сигнала, полученные после дискретизации (см. рис. 3.11, б), точно соответствуют мгновенным значениям функции. Если на этом графике отметить уровни квантования, отстающие на расстоянието часть дискретных значений сигнала оказывается в промежутках между ними.

Процесс квантования по уровню сводится к округлению дискретных значений, соответствующих ближайшим разрешенным уровням. В момент 1 мгновенное значение сигнала превышает уровень x3 на величину, несколько меньшую. Округление производится в сторону уменьшения, а квантованное значение выбирается равным x3.

Рис. 3.11. Сигналы в процессе аналого-цифрового преобразования: а — входной аналоговый;

6 — дискретизированный;

в — квантованный;

г — кодированный В момент 2 значение сигнала превышает уровень x4 на величину больше и квантованное значение принимается равным x3, (см. рис. 3.11, в).

Заключительный этап преобразования состоит в преобразовании квантованного сигнала в цифровой код. Примером цифрового унитарного кода может служить код, соответствующий значениям квантованного сигнала (см. рис. 3.11, г). При таком кодировании количество импульсов в кодовой группе (кодовые группы на рисунке обозначены как и т.д.) прямо зависит от уровня квантованного сигнала. Например, моменту 7 соответствует уровень кодирования x6 а в кодовой группе n7 имеется шесть импульсов.

Из приведенных графиков следует, что при дискретизации и квантовании сигнала появляется погрешность преобразования. Аналоговая функция анализируется только в момент дискретизации, при этом предполагается, что на интервале t между двумя отсчетными точками сигнал неизменен. Следовательно, при сближении отсчетных точек уменьшается интервал t за счет чего можно добиться снижения погрешности до допустимого значения.

При измерении постоянного во времени параметра погрешность преобразования, связанная с дискретизацией, отсутствует.

Погрешность, вызванная квантованием аналогового измеряемого параметра, зависит от конечного числа уровней квантования. Такая погрешность — погрешность дискретизации — характеризует все ЦИП. При равномерном квантовании эта погрешность лежит в границах Следующей операцией преобразования в ЦИП является перевод цифрового кода в показания ЦИ.

Для этого служит дешифратор, превращающий пакет импульсов (кодовые группы) в соответствующие значения параметра. Кодовые группы управляют работой ЦИ.

Рассмотренная цепочка преобразований, проходящих в аналого-цифровом преобразователе, дешифраторе и ЦИ, дает упрощенное представление о работе ЦИП.

Например, при измерении неизвестного значения параметра достаточно одного цикла преобразования, по окончании которого образуется кодовая группа (пакет импульсов), передаваемая в течение короткого интервала времени, а результат измерения должен сохраняться на экране ЦИ достаточно долго (до следующего цикла). Этим объясняется необходимость наличия в составе ЦИП запоминающего устройства (ЗУ).

Режимы работы и параметры. Режим однократного измерения используется в тех случаях, когда значение параметра неизменно. Сигнал на проведение измерения подается оператором. Результат измерения хранится в ЗУ и воспроизводится на ЦИ. ЦИП обеспечивает квантование и кодирование измерительного сигнала.

Режим периодического измерения используется в тех случаях, когда процесс измерения повторяется через интервал времени, задаваемый оператором. При этом ЦИП выполняет операции дискретизации, квантования и кодирования. На экране ЦИ результат обновляется после каждого цикла измерения.

Следящий режим измерения реализуется в тех случаях, когда цикл измерения повторяется после того, как изменение измеряемой величины превысит ступень квантования.

К числу важных параметров ЦИП относятся быстродействие, время измерения, помехоустойчивость и погрешность.

Быстродействие — это максимальное количество измерений с допустимой погрешностью, выполняемое ЦИП в единицу времени.

У ЦИП очень высокое быстродействие — до 107 преобразований в секунду. Такое быстродействие оператор, который воспринимает лишь 2—3 измерения в секунду, при визуальном наблюдении не может воспринять, а регистрирующие устройства способны воспринять не более 100 измерений в секунду Время измерения — это интервал от начала цикла преобразования измеряемого параметра до получения результата.

Помехоустойчивость — это способность ЦИП производить измерения с допустимой погрешностью при наличии помех.

Новое направление в развитии ЦИП — использование микропроцессора, обеспечивающего управление собственно процессом измерения, автоматическое градуирование по заданной программе, самодиагностику, а также первичную обработку результата измерения.

В настоящее время активно развиваются и совершенствуются компьютерно измерительные системы (КИС) и их разновидность — виртуальные измерительные приборы.

Литература: [3], c. 6 -16.

Тема 4. Метрологические показатели средств измерений Общими характеристиками электроизмерительных приборов являются их погрешности, вариация показаний, чувствительность к измеряемой величине, потреб ляемая мощность, время установления показаний и надежность.

Вариация показаний прибора — это наибольшая разность показаний прибора при одном и том же значении измеряемой величины. Она определяется при плавном подходе стрелки к испытуемой отметке шкалы при движении ее один раз от начальной, а второй раз от конечной отметок шкалы. Вариация показаний характеризует степень устойчивости показаний прибора при одних и тех же условиях измерения одной и той же величины. Она приближенно равна удвоенной погрешности от трения, так как причиной вариации в основном является трение в опорах подвижной части.

Чувствительность электроизмерительного прибора к измеряемой величине х называется производная от перемещения указателя а по измеряемой величине x.

Перемещение указателя а, которое выражается в делениях или миллиметрах шкалы, для обширной группы приборов определяется, в первую очередь, углом откло нения подвижной части а измерительного механизма. Кроме того, оно зависит от типа отсчетного устройства и его характеристик (стрелочный или световой указатель, длина шкалы, число делений шкалы и др.).

Чувствительность собственно механизма приборов этой группы (независимо от применяемого отсчетного устройства) равна S' = da/dx.

Выражением определяется чувствительность прибора в данной точке шкалы. Если чувствительность постоянна, т. е. не зависит от измеряемой величины, то ее можно определить из выражения S = а/х.

В этом случае чувствительность прибора численно равна перемещению указателя, соответствующему единице измеряемой величины.

У приборов с постоянной чувствительностью перемещение указателя пропорционально измеряемой величине, т. е. шкала прибора равномерна.

Чувствительность прибора имеет размерность, зависящую от характера измеряемой величины, поэтому, когда пользуются термином «чувствительность», говорят «чувствительность прибора к току», «чувствительность прибора к напряжению» и т.д.

Например, чувствительность вольтметра к напряжению равна 10 дел./В.

Величина, обратная чувствительности, C = l / S называется ценой деления (постоянной) прибора. Она равна числу единиц измеряемой величины, приходящихся на одно деление шкалы. Например, если S=10 дел./В, то С—0,1 В/дел.

При включении электроизмерительного прибора в цепь, находящуюся под напряжением, прибор потребляет от этой цепи некоторую мощность. В большинстве случаев эта мощность мала с точки зрения экономии электроэнергии. Но при измерении в маломощных цепях в результате потребления приборами мощности может измениться режим работы цепи, что приведет к увеличению погрешности измерения. Поэтому малое потребление мощности от цепи, в которой осуществляется измерение, является достоинством прибора.

Мощность, потребляемая приборами в зависимости от принципа действия, назначения прибора и предела измерения, имеет самые различные значения и для боль шинства приборов лежит в пределах от 10-12 до 15 Вт.

После включения электроизмерительного прибора в электрическую цепь до момента установления показаний прибора, когда можно произвести отсчет, проходит не который промежуток времени (время успокоения). Под временем установления показаний следовало бы понимать тот промежуток времени, который проходит с момента изменения измеряемой величины до момента, когда указатель займет положение, соответствующее новому значению измеряемой величины. Однако если учесть, что всем приборам присуща некоторая погрешность, то время, которое занимает перемещение указателя в пределах допустимой погрешности прибора, не представляет интереса.

Под временем установления показаний электроизмерительного прибора понимается промежуток времени, прошедший с момента подключения или изменения из меряемой величины до момента, когда отклонение указателя от установившегося значения не превышает 1,5% длины шкалы. Время установления показаний для боль шинства типов показывающих приборов не превышает 4 с.

Цифровые приборы характеризуются временем измерения, под которым понимают время с момента изменения измеряемой величины или начала цикла измерения до момента получения нового результата на от- счетном устройстве с нормированной погрешностью.

Под надежностью электроизмерительных приборов понимают способность их сохранить заданные характеристики при определенных условиях работы в течение заданного времени. Если значение одной или нескольких характеристик прибора выходит из заданных предельных значений, то говорят, что имеет место отказ. Количественной мерой надежности является минимальная вероятность безотказной работы прибора в заданных промежутке времени и условиях работы.

Вероятностью безотказной работы называется вероятность того, что в течение определенного времени Т непрерывной работы не произойдет ни одного отказа. Время безотказной работы указано в описаниях приборов. Часто пользуются прбилиженным значением этого показателя, определяемым отношением числа приборов, продолжающих после определенного времени Т безотказно работать, к общему числу испытываемых приборов. Например, для амперметров и вольтметров типа Э8027 минимальное значение вероятности безотказной работы равно 0,96 за 2000 ч. Следовательно, вероятность того, что прибор данного типа сохранит заданные характеристики после 2000 ч работы, составляет не менее 0,96, иными словами, из 100 приборов данного типа после работы в течение 2000 ч, как правило, не более четырех приборов будут нуждаться в ремонте, К показателям надежности относят также среднее время безотказной работы прибора, которое определяется как среднее арифметическое время исправной работы каждого прибора. Обычно, когда приборы начинают выпускать серийно, некоторая небольшая часть их отбирается для испытаний на надежность. Показатели надежности, определенные по результатам этих испытаний, присваивают всей серии приборов.

Гарантийным сроком называют период времени, в течение которого завод изготовитель гарантирует исправную работу изделия при соблюдении правил эксплуата ции прибора. Например, для микроамперметров типа М266М предприятие-изготовитель гарантирует безвозмездную замену или ремонт прибора в течение 36 мес со дня отгрузки с предприятия, а для частотомеров типа Э373 этот срок составляет 11 лет.

Литература: [5], c. 65-75.

Тема 5. Погрешности измерений Основные понятия. При любом измерении физической величины неизбежны погрешности, какими бы точными и совершенными ни были средства и методы измерения и как бы тщательно ни выполнялись эти измерения. Поэтому истинное значение физической величины определяется только приблизительно.

Погрешность характеризует несовершенство измерения. Характеристикой качества измерения является точность измерения v, отражающая меру близости результата измерения к истинному значению измеряемой физической величины.

Вопросы погрешности являются основополагающими в теории и практике метрологии, в которой используются два понятия: погрешность результата измерения и погрешность средства измерения.

Эти понятия близки друг к другу и классифицируются по одинаковым признакам.

Погрешность результата измерения — это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой физической величины. Так как истинное значение измеряемой величины неизвестно, то при количественной оценке погрешности измерения используют значение физической величины, найденное экспериментально и настолько близкое к истинному значению, что в реальной измерительной задаче может быть использовано вместо него.

Погрешность средства измерения — это разность показаний средства измерения и истинного (действительного) значения измеряемой физической величины. Она характеризует точность измерений, выполняемых с помощью данного прибора.

В электротехнических измерениях различают несколько видов погрешностей, которые можно разделить на две большие группы: основная и дополнительная.

Основная погрешность определяется при нормальных условиях работы (температуре, давлении и влажности окружающей среды, частоте, форме и значению питающего напряжения).

Дополнительная погрешность появляется при отклонении значений, влияющих на результат измерения, от нормальных.

Основная погрешность включает в себя две составляющие: систематическую и случайную.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.