Вопрос 1.

Шунты

Шунт является простейшим измерительным преобразователем тока в напряжение. Он представляет собой четырехзажимный резистор. Зажимы, к которым подводится ток I, называются токовыми, а зажимы, с которых снимается напряжение U потенциальными (рис.1). К потенциальным зажимам обычно присоединяется выходной прибор.

Шунт характеризуется номинальным значением входного тока I_ном и номинальным значением выходного напряжения U_ном. Их отношение определяет номинальное сопротивление шунта

Рис.1. Схема соединения измерительного механизма с шунтом

Шунты применяются для расширения пределов измерения амперметров, при этом большую часть измеряемого тока пропускают через шунт, а меньшую – через измерительный механизм (ИМ) прибора.

 

На рис.1 показана схема включения магнитоэлектрического механизма с шунтом R_ш. Ток I_и, протекающий через измерительный механизм, связан и измеряемым током I зависимостью

,                     

где R_и – сопротивление измерительного механизма.

Если необходимо, чтобы ток I_и был в n раз меньше тока I, то сопротивление шунта должно быть

,                      

где   - коэффициент шунтирования.

Номинальный ток шунтов может иметь значение от нескольких миллиампер до нескольких тысяч ампер. Шунты на малые токи выполняются в виде катушек или спиралей из манганинового провода, шунты на большие токи – в виде манганиновых пластин.

Добавочные сопротивления.

Добавочные сопротивления являются измерительными преобразователями напряжения в ток. Добавочные сопротивления могут состоять из одного или нескольких резисторов и служат для расширения пределов измерения по напряжению вольтметров и других приборов, имеющих параллельные цепи, как, например, ваттметры, фазометры. Добавочные сопротивления включают последовательно с ИМ (рис.3).

 Рис.3. Схема соединения измерительного механизма с добавочным сопротивлением

Ток I_и в цепи, состоящей из ИМ с сопротивлением R_и и добавочного резистора с сопротивлением R_д, составит

,                   

где U – измеряемое напряжение.

Если вольтметр имеет верхний предел измерений U_ном, сопротивлением R_и и при помощи добавочного сопротивления R_д надо расширить предел измерения в n раз, то, учитывая постоянство тока, протекающего через вольтметр, можно записать:

             

откуда  .

Добавочные сопротивления изготавливаются из изолированной манганиновой проволоки, намотанной на пластины или каркасы из изоляционного материала, и применяются для расширения пределов измерений вольтметров до 30 кВ.

Вопрос 2.

В соответствии с инструкцией по эксплуатации осциллографа производят калибровку длительности развертки и подают исследуемый сигнал на «Вход Y». Переключением частоты развертки и регулировкой уровня синхронизации добиваются устойчивого изображения сигнала на экране. Измеряют целое число периодов сигнала (в делениях), укладывающихся на линии горизонтальной развертки, и определяют частоту исследуемого сигнала (в герцах) по формуле

где n — число периодов исследуемого сигнала; l — длина линии развертки (в делениях масштабной сетки), на которой укладывается возможно большее целое число периодов исследуемого сигнала; Т_р — коэффициент развертки в исследуемом диапазоне, с/дел.

Измерение частоты этим способом не требует дополнительных приборов, но не обладает высокой точностью.

БИЛЕТ 13

Классификация средств измерений

Средства измерения могут быть классифицированы по видам измерений:

для измерения давления; для измерения геометрических величин; для измерения механических величин; для измерения параметров потока, расхода, уровня и объема; для физико-химических измерений; для температурных и теплофизических измерений; для измерения времени и частоты; для измерения электрических величин; для радиотехнических измерений; для магнитных измерений; для акустических измерений; для оптических и оптико-физических измерений; для измерения ионизирующих излучений.

Кроме того, средства измерения классифицируются по их месту в поверочной схеме в соответствии с рекомендациями РМГ 29-99 «Метрология. Основные требования и определения»:

первичный эталон — эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране точностью (по сравнению с другими эталонами той же единицы);

вторичный эталон — эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы;

рабочий эталон — эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим средствам измерения;

рабочее средство измерения — предназначенное для измерений техническое средство, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и/или хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.

Класс точности — это обобщенная характеристика средства измерения, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также рядом других свойств, влияющих на точность выполняемых с их помощью измерений. Классы точности регламентируются стандартами на отдельные виды средств измерения с использованием метрологических характеристик и способов их нормирования.

На средства измерения, для которых существенное значение имеет динамическая погрешность, классы точности не устанавливаются. Для остальных средств измерения обозначение классов точности вводится в зависимости от способов задания пределов допускаемой основной погрешности.

Классы точности обозначаются римскими цифрами или буквами латинского алфавита для средств измерения, пределы допускаемой погрешности которых задаются в форме графиков, таблиц или сложных функций входной, измеряемой или воспроизводимой величины. К буквам при этом допускается присоединять индексы в виде арабской цифры. Чем меньше пределы допускаемой погрешности, тем ближе к началу алфавита должна быть буква и тем меньше цифра.

В соответствии с документом МИ 2314-00 «Кодификатор групп средств измерений» существует также классификация средств измерений по назначению (диагностические, прогнозирующие, контрольные и испытательные), по связи с объектом (встроенные и внешние), по виду выходного сигнала (аналоговые, цифровые и аналогово-цифровые) и т.д.

измерение мощности в цепях постоянного и однофазного переменного тока

Для измерения мощности в цепях постоянного и однофазного переменного тока применяют приборы, называемые ваттметрами, для которых используют электродинамические и ферродинамические измерительные механизмы.

Электродинамические ваттметры выпускают в виде переносных приборов высоких классов точности (0,1 - 0,5) и используют для точных измерений мощности постоянного и переменного тока на промышленной и повышенной частоте (до 5000 Гц). Ферродинамические ваттметры чаще всего встречаются в виде щитовых приборов относительно низкого класса точности (1,5 - 2,5).

Применяют такие ваттметры главным образом на переменном токе промышленной частоты. На постоянном токе они имеют значительную погрешность, обусловленную гистерезисом сердечников.

Для измерения мощности на высоких частотах применяют термоэлектрические и электронные ваттметры, представляющие собой магнитоэлектрический измерительный механизм, снабженный преобразователем активной мощности в постоянный ток.

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ВАТТМЕТРЫ:

Электродинамические приборы обеспечивают наиболее высокую точность при измерениях в цепях переменного тока частотой до 20 кГц, однако они не выносят перегрузку, отличаются значительной мощностью потребления электрической энергии и на их показания влияют внешние магнитные поля.

Для уменьшения этого влияния в приборах высокого класса точности применяют экранирование и астатическое построение измерительной системы

На схеме "а" показана возможность использования электродинамического измерительного механизма для построения ваттметра и измерения мощности.

Рис. 1. Схема включения ваттметра (а) и векторная диаграмма (б)

Неподвижная катушка 1, включаемая в цепь нагрузки последовательно, называется последовательной цепью ваттметра, подвижная катушка 2 (с добавочным резистором), включаемая параллельно нагрузке — параллельной цепью.

РИСУНОК 2:

Наиболее распространены электродинамические, механизм которых состоит из неподвижной катушки 1, включенной последовательно с нагрузкой Н (цепь тока), и подвижной катушки 2, включенной через большое добавочное сопротивление R параллельно нагрузке (цепь напряжения). Работа такого типа основана на взаимодействии магнитных полей подвижной и неподвижной катушек при прохождении по ним электрического тока. При этом вращающий момент, вызывающий отклонение подвижной части прибора и соединённой с ней стрелки (указателя), при постоянном токе пропорционален произведению силы тока на напряжение, а при переменном токе - также косинусу угла сдвига фаз между током и напряжением. Применяются также ферродинамические, реже индукционные, термоэлектрические и электростатические.

БИЛЕТ 14

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Можно выделить следующие методы измерений.

По способу получения значений измеряемых величин различают два основных метода измерений: метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой.

Метод непосредственной оценки — метод измерения, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетпому устройству измерительного прибора прямого действия (например, измерение длины с помощью линейки или размеров деталей микрометром, угломером и т. д.).

Метод сравнения с мерой — метод измерения, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, для измерения диаметра калибра микрокатор устанавливают па нуль по блоку концевых мер длины, а результаты измерения получают по отклонению стрелки микрокатора от нуля, то есть сравнивается измеряемая величина с размером блока концевых мер. О точности размера судят по отклонению стрелки микрокатора относительно нулевого положения.

Существуют несколько разновидностей метода сравнения:

метод противопоставления, при котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения;

дифференциальный метод, при котором измеряемую величину сравнивают с известной величиной, воспроизводимой мерой. Этим методом, например, определяют отклонение контролируемого диаметра детали па оптиметре после его настройки на нуль по блоку концевых мер длины;

нулевой метод, при котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля. Подобным методом измеряют электрическое сопротивление по схеме моста с полным его уравновешиванием;

метод совпадений, при котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, определяют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов (например, при измерении штангенциркулем используют совпадение отметок основной и нониусной шкал).

При измерении линейных величин независимо от рассмотренных методов различают контактный и бесконтактный методы измерений.

В зависимости от измерительных средств, используемых в процессе измерения, различают инструментальный, экспертный, эвристический и органолептический методы измерений.

Инструментальный метод основан на использовании специальных технических средств, в том числе автоматизированных и автоматических.

Экспертный метод оценки основан на использовании данных нескольких специалистов. Широко применяется в квалиметрии, спорте, искусстве, медицине.

Эвристические методы оценки основаны па интуиции. Широко используется способ попарного сопоставления, когда измеряемые величины сначала сравниваются между собой попарно, а затем производится ранжирование на основании результатов этого сравнения.

Органолептические методы оценки основаны на использовании органов чувств человека (осязания, обоняния, зрения, слуха и вкуса). Часто используются измерения на основе впечатлений (конкурсы мастеров искусств, соревнования спортсменов).

БИЛЕТ 15

МЕРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛЕЧИН

Существуют следующие меры электрических величин:

Мера тока – токовые весы (Рис.1). Имеют коромысло, на одном плече которого подвешена подвижная катушка. Последовательно с ней соединена неподвижная катушка. При прохождении тока по катушкам возникает сила их электрического взаимодействия, которая уравновешивается эталонными гирями, нагруженными на второе плечо коромысла.

Мера э.д.с. – нормальный элемент (НЭ) (Рис. 2). Нормальный элемент состоит из запаянного стеклянного Н-образногно сосуда. Положительным электродом служит ртуть (1), заполняющая нижнюю часть одной ветви сосуда. Над положительным электродом расположена паста – деполяризатор (2) кристаллов сернокислого кадмия и серной закиси ртути. Над пастой и отрицательным электродом (3) которым служит амальгальма кадмия, расположены кристаллы сернокислого кадмия (5). Электролитом служит водный раствор сернокислого кадмия (4).

Меры электрического сопротивления.

Меры электрического сопротивления – образцовые резисторы или образцовые катушки сопротивления. Точность измерительных резисторов определяется по ГОСТ 6864-69, который делит их на классы: 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02; 0,05. Измерительные резисторы изготавливаются из манганиновой проволоки или ленты. Образцовые резисторы изготавливаются на номинальные сопротивления: 0,00001; 0,0001; 0,001; 0,01; 0,1; 1; 10; 100; 1000; 10000; 100000 Ом.

Меры индуктивности и взаимной индуктивности

Меры индуктивности с постоянным значением – это катушки с постоянным значением индуктивности (рис.4).

Образцовые катушки индуктивности представляют собой пластмассовый или фарфоровый каркас с наложенной на него обмоткой из медной изолированной проволоки, концы которой укрепляются на зажимах. Использование каркаса из немагнитного материала обеспечивает независимость индуктивности от тока в катушке.

Образцовые катушки изготавливаются на следующие номинальные значения индуктивности: 0,0001; 0,001; 0,01; 0,1; 1 Гн.

Меры емкости – это образцовые конденсаторы с известной постоянной или переменной емкостью (Рис.5). Емкость конденсатора должна возможно меньше изменяться в зависимости от времени, температуры, частоты и других факторов, Конденсатор должен обладать малыми диэлектрическими потерями и большим сопротивлением изоляции. В качестве образцовых используются воздушные и слюдяные конденсаторы.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЕНСАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Компенсаторы — приборы, в которых измерение производится методом сравнения измеряемой величины с эталонной. Принцип действия компенсатора основан на уравновешивании (компенсации) измеряемого напряжения известным падением напряжения на образцовом резисторе. Момент полной компенсации фиксируется индикаторным прибором (нуль-индикатором). Разработаны компенсаторы переменного и постоянного тока. Компенсационный метод применяется также в цифровых измерительных приборах.

Упрощенная принципиальная схема компенсатора постоянного тока для измерения напряжения Ux показана на рисунке 1;

Источник постоянного напряжения Е0 обеспечивает протекание рабочего тока Ip по цепи, состоящей из последовательно включенных измерительного Rи, установочного (образцового) Ry и регулировочного Rреr резисторов. В качестве источника образцовой ЭДС (меры ЭДС) используется нормальный элемент Енэ — изготавливаемый по специальной технологии гальванический элемент, среднее значение ЭДС которого при температуре 20° С известно с точностью до пятого знака и равно Енэ = 1,0186 В. Установочный резистор Rу представляет собой катушку сопротивления специальной конструкции с точно известным и стабильным сопротивлением. В схеме элемент НИ — нуль-индикатор, реагирующий на очень маленькие постоянные токи

БИЛЕТ 16

ШУНТЫ И ДОБАВОЧНЫЕ РЕЗИСТОРЫ

Измерительные шунты

Шунт является простейшим измерительным преобразователем тока в напряжение. Измерительный шунт представляет собой четырехзажимный резистор. Два входных зажима шунта, к которым подводится ток I, называются токовыми, а два выходных зажима, с которых снимается напряжение U, называются потенциальными.

К потенциальным зажимам шунта обычно присоединяют измерительный механизм измерительного прибора.

Измерительный шунт характеризуется номинальным значением входного тока Iном и номинальным значением выходного напряжения Uном. Их отношение определяет номинальное сопротивление шунта:

Rш= Uном / Iном

Шунты применяются для расширения пределов измерения измерительных механизмов по току, при этом большую часть измеряемого тока пропускают через шунт, а меньшую — через измерительный механизм. Шунты имеют небольшое сопротивление и применяются, главным образом, в цепях постоянного тока с магнитоэлектрическими измерительными механизмами.

Рис. 1. Схема соединения измерительного механизма с шунтом:

На рис. 1 приведена схема включения магнитоэлектрического механизма измерительного прибора с шунтом Rш. Ток Iи протекающий через измерительный механизм, связан с измеряемым током I зависимостью

Iи = I (Rш / Rш + Rи),

где Rи — сопротивление измерительного механизма.

Если необходимо, чтобы ток Iи был в n раз меньше тока I, то сопротивление шунта должно быть:

Rш = Rи / (n - 1),

где n = I / Iи — коэффициент шунтирования.

Добавочные резисторы являются измерительными преобразователями напряжения в ток, а на значение тока непосредственно реагируют измерительные механизмы вольтметров.

Добавочные резисторы служат для расширения пределов измерения по напряжению вольтметров различных систем и других приборов, имеющих параллельные цепи, подключаемые к источнику напряжения. Сюда относятся, например, ваттметры, счетчики энергии, фазометры и т. д.

Добавочные резисторы, предназначенные для работы на переменном токе, имеют бифилярную обмотку для получения безреактивного сопротивления.

Добавочные резисторы бывают внутренние и наружные. Последние выполняются в виде отдельных блоков и подразделяются на индивидуальные и калиброванные. Индивидуальный резистор применяется только с тем прибором, который с ним градуировался. Калиброванный резистор может применяться с любым прибором, номинальный ток которого равен номинальному току добавочного резистора.

Калиброванные добавочные резисторы делятся на классы точности 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 и 1,0. Они выполняются на номинальные токи от 0,5 до 30 мА.

Добавочные резисторы применяются для преобразования напряжений до 30 кВ

ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ.АЦП КОДОИМПУЛЬСНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

цифрово́й измери́тельный прибо́р

измерительный прибор, в котором результаты измерения непрерывной величины (напряжения, силы тока, электрического сопротивления, давления, температуры и др.) автоматически преобразуются в дискретные сигналы, отображаемые в виде чисел на цифровом индикаторе. В состав цифровых измерительных приборов обязательно входит аналого-цифровой преобразователь, преобразующий аналоговый сигнал, полученный чувствительным элементом (датчиком), в цифровой код. Для цифровых измерительных приборов характерна значительно более высокая точность измерения по сравнению с аналоговыми измерительными приборами, удобство и объективность отсчёта. Точность отсчёта при этом зависит от числа разрядов на цифровом индикаторе. Выпускаются многочисленные цифровые измерительные приборы: часы, термометры, весы, тонометры (измерители артериального кровяного давления) и др.

Основные характеристики

К основным характеристикам цифровых измерительным приборов относятся:

погрешности; диапазон измерений; входное сопротивление прибора; порог чувствительности; быстродействие; помехоустойчивость.

Основная погрешность ЦИП складывается из следующих составляющих погрешностей:

дискретности = ; реализации дискретности уровней = ; порога чувствительности = ;

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) – устройство, осуществляющее преобразование непрерывно изменяющегося аналогового сигнала в цифровой код. В кодоимпульсном АЦП дискретизация происходит по величине напряжения. Метод преобразования характеризуется наличием нескольких мер, равных числу разрядов кода; комбинации мер по логической программе сравниваются с измеряемой величиной

РАСЧЕТ НА СТРУКТУРНОМ УРОВНЕ В основе проектирования АЦП было положено кодоимпульсное преобразование, реализующее следящее уравновешивание.

Порядок следования сигнала следующий: на входы операционного усилителя подается входное напряжение и, компенсирующее его, напряжение с ЦАП (при этом усилитель в зависимости от разности напряжений может работать и в своем основном режиме и в режиме насыщения, алгоритм работы такой, что разностный сигнал удерживается в пределах разрешающей способности АЦП). Далее с помощью двух компараторов и схемы 2ИЛИ происходит определение режима изменения кода в зависимости от полярности сигнала. После этого сигнал подается на счетчик, который выполняет тактирование (по входу С), при этом счетчик работает только тогда, когда с блока управления есть разрешающий сигнал (по входу R). Далее используя ЦАП, сигнал преобразуется в напряжение и выводится для сравнения с заданным входным. Процесс повторяется снова.

Билет 17