VII. Дифференциальный метод

CУ (сравнивающее устройство)

X = ? X₀ - var

ΔX = X – X₀ ≠ 0

Результат сравнения

Дифференциальный метод менее точный, чем нулевой, но более точный, чем метод непосредственного измерения. Д.М. позволяет измерить приращение измеряемой величины относительно номинального значения – это называется измерить топография поля.

Примеры:

Пример А)

U_Б.С. = 110 В ± 10%(от 110 В); U_НОМ = 110 В; ΔU = (-11)В ≑ (+11) В

X = U_Б.С. = ?

Прямое измерение

-

+

U_C = 110 ± 10 %

V

V

; U_C = 99 ≑ 121 (В)

 

 

Дифференциальный метод

Образцовое напряжение подключено встречно. Приращение относительно номинального.

м

м

V

U_C = 99 ≑ 121 (В) + - - +

10 0 10

-15 15

Пример Б)

Неравновесный мост постоянного тока. Применяется для разбраковки сопротивления относительно номинала.

R_X = R_{X НОМ} +ΔR

R_{X НОМ} = ?

R₂

ИН

R МЛТ

 

R_НОМ = 1 кОм

-

+

R₄ R₃ 1 кОм ± 5 % ном

U_ИСТ 1кОм ± 10 % ном

 

Работа:

1) R_X = R_НОМ = 1 кОм и мост уравновешивается.

Добавляем I_НИ → 0 и R₂ → variable

2) R_X = R_НОМ ± ΔR

I_НИ ≠ 0

I_НИ = F(ΔR) (т.е. функция от «дельта эр»)

Пример В)

Задача: определение топографии магнитных полей (насколько поле неравномерно).

c a, b и c - конечны

N-S – постоянный магнит

N-S Fe В.З. Fe N-S В.З. – воздушный зазор

 

b a

Магнитное поле замеряют специальным прибором, называемым датчиком Холла. Выглядит он (датчик) следующим образом.

3 B = ?

1 2 E_X – ЭДС Холла = С ∙ I ∙ B ПХ

4 E_X

I I

 

D_X

Датчик или преобразователь Холла (ПХ) является гальваномагнитным преобразователем, в котором под действием магнитного поля возникает ЭДС. Датчик представляет собой пластину из полупроводника, по которой течёт ток I. При помещении пластины в магнитное поле, вектор магнитной индукции Bкоторого перпендикулярен плоскости пластины, на боковых гранях её возникает разность потенциалов – ЭДС Холла:

где C – постоянна, зависящая от свойств материала и габаритных размеров пластины; I – сила тока; B – магнитная индукция.

После усиления ЭДС Холла измеряется компенсатором постоянного тока или милливольтметром mV, шкала которого проградуирована в единицах магнитного потока при условии постоянства силы тока.

Преобразователи Холла имеют малые размеры, что позволяет проводить измерение индуктивности магнитного поля в малых зазорах.

 

Лекция 6

Классификация средств измерений

Ø Эталоны (страница 30)

Ø Меры (страница 30)

Ø Измерительные приборы (страница 30)

Ø Измерительные преобразователи (страница 47)

Ø Информационно-измерительные системы (ИИС) (страница 68)

Ø Информационно-вычислительные комплексы (ИВК) (страница 69)

Ø Интеллектуальные измерительные системы (страница 71)

Эталоны

Определение

Эталон – СИ (средство измерения), предназначенное для воспроизводства, хранения и передачи единицы физической величины.

Примеры эталонов

1 А, 1 Ом, 1 кг, 1 м, 1 Тл и так далее…

Сейчас эталоны делаются таким образом, чтобы можно было передавать их на расстоянии дистанционно. Не во всех странах есть эталоны.

Меры

Определение

Меры – СИ, предназначенные для воспроизводства, хранения и передачи физической величины определённого размера.

Существует специальный ряд чисел, из которого выбираются эти размеры.

Пример:

R = 1 кОм ± 0,00001 Ом (утрировано, конечно)

Измерительный приборы

Определение

Измерительные приборы – СИ, предназначенные для выработки сигнала измеряемой информации в форме доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

ИП

Отсчетное устройство

 

 

Наблюдатель

Примечание

Не всегда отсчетное устройство позволяет считать саму измеряемую величину. Бывают отсчетные устройства со шкалой, проградуированной иной величиной, но показания позволяют найти саму необходимую величину.

а) Аналоговый стрелочный отсчёт Градуированная шкала + стрелка (указатель).

Аналоговый отсчёт (непрерывный)

0 100 200

Стрелка

X_П = 75 В

Для электронных и электромеханических приборов. Такие отсчётные устройства менее чувствительны.

б) Аналоговый световой отсчёт - это означает градуированная шкала + «заяц» (световое пятно).

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 мВ Намерили 2 миливольта

 

«Заяц» Аналоговый (непрерывный) отсчет

Для электромеханических приборов. Такие системы более чувствительны.

в) Цифровой отсчёт

Результат видим в десятичной системе исчисления в виде цифр, появляющихся на экране или мониторе. Используется, естественно, в цифровых приборах.

3,85 В

Недостоверным является последний разряд.

В данном случае «пятёрка» будет недостоверна.

г) Цифро-аналоговый отсчёт

Они сохраняют преимущества аналогового (непрерывного) отсчёта и достоинства цифрового (точность, возможность использования машины).

Пример

9,35 В   0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

«Цифра» Допустим, показал прибор 9, 35 В

 

«Аналог»

 

 

Шкала Указатель

В таких приборах шкалы и указатели (отсчётные устройства) делаются на новых физических эффектах, когда под действием измеряемой величины индикаторное вещество меняет свои оптические свойства, граница эффекта и является указателем.

Несколько слов об устройствах, основывающихся на новых оптических эффектах. Рассмотрим отсчётное устройство, выполненное на основе газоразрядной трубки.

А) Осуществляют чисто аналоговый отсчёт.

l l пропорциональна X

Газ

X Трубка

 

Граница между «светом» и «тьмой»

Границы слева и справа (размытость границы)

В газоразрядной трубке, находится, что совершенно естественно, газ, но не простой, а который светится под действием измеряемой величины. Воздействуем величиной в трубку, на газ, и чем больше величина, тем длиннее будет светящаяся линия газа в трубке. Но точность не высока и поэтому придумали нечто иное…

+

Б) Газоразрядное самосканирующее расчётное устройство

K0

KА

Анод … Катод 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 N

Трубка, внутри – газ.

 

R₁

 

R₂

KI

 

 

-

Мультиплексор (устройство управления)

KIII

KII

земля (нуль-потенциал)

 

 

Катоды, фактически и представляют число делений шкалы.

Обозначения:

K_i – управляемый ключ

Заставить ключ открыться или закрыться может управляющий сигнал от мультиплексора.

Получается, что деления зажигаются последовательно, благодаря ключам, и ошибка, в отличии от первого примера, будет гораздо меньше.

Работа этого аналого-дискретного прибора.

1) Сперва ключи в положении

i. К_А

ii. K₀

iii. K_I, K_II, K_III

Подаём «плюс» на анод, начинает светится промежуток между анодом и катодом на нуле (помним, что K₀ замкнут).

2) Устройство управления начинает закрывать (замыкать) ключи последовательно по одному.

3) Как же прекратить разряд? Необходимо замкнуть анодный ключ, напряжение на аноде уменьшается и разряд прекращается и останавливается на определенном делении шкалы.

Существует и другая реализация того же самого прибора, основанная на применении светодиодов.

СД X?

Светится под воздействием напряжения

< 1 мм

А теперь, представим себе линейку из светодиодов

0 1 2 3 4 5 6 … N

 

Длина шкалы

Разновидности шкал:

А) все деления, пропорционально напряжению, светятся до измеряемой величины

Пример:

3 Вольта

0 1 2 3 4 5

Б) одно деление, стоящее на измеряемой величине, светится пропорционально напряжению

Пример:

те же 3 Вольта 0 1 2 3 4 5

 

Измерительные приборы делятся по элементной базе, которая тесно связана с выполняемыми функциями прибора.

Электромеханические приборы

Под действием измеряемой величины возникает электрическая энергия, которая преобразуется в механическую энергию поворота подвижной части (стрелки, например). В результате получается угол поворота α или, реже, длина линейного перемещения X_ПЕР . В результате получается показания X_П.

ОУ POУ

ИМ PИМ

ИЦ PИЦ

Y* α

X? X_П

 

q, заряд редко, X_ПЕР

Обозначения:

ИЦ – измерительная цепь; P_ИЦ – параметры измерительной цепи

ИМ – измерительный механизм; P_ИМ – параметры измерительного механизма

ОУ – отсчетное устройство; P_ОУ – параметры отсчётного устройства

ИЦ`ами чаще всего являются делители напряжений, шунты и т.д.

В идеале зависимость показаний и измеряемой величины должна быть такая

X_П = F(X)

т.е. однозначная зависимость.

А на деле всё оказывается совсем по-другому

X_П = F(X, P_ИЦ , P_ИМ, P_ОУ)

Погрешность из-за них

Разумеется при P_ij = var, то появляется погрешность.

Что можно сделать, чтобы этого избежать:

Зафиксировать параметры P_ij = const, что очень трудно

Оставить параметры в покое P_ij = var, но ввести схемы компенсации (от частоты, от температуры, от внешнего напряжения)

Электромеханические приборы не требуют внешнего источника питания, питаясь от самой измеряемой величины, подаваемой на вход. Они простые, дешевые, незатратные, и так далее другие преимущества.

Измерительные механизмы отличаются конструкцией, а значит и возможностями. Зарисуем диаграммы, которые закрепляются на передней панели устройства и объясняющие, что делает прибор.

 

Магнитоэлектрический измерительный механизм с механическим противодействующим моментом и подвижной рамкой

1) А) 6)

 

Магнитоэлектрический измерительный механизм с электрическим противодействующим моментом и подвижной рамкой

Индукционный измерительный прибор

Б)

 

 

Магнитоэлектрический измерительный прибор с подвижным магнитом

Электростатический измерительный прибор

2)

 

 

7)

3)

Электромагнитный измерительный прибор

 

 

Электродинамический измерительный прибор

8.1)

 

 

4)

Электромеханические измерительный приборы с преобразователями

8.2)

 

 

 

8.3)

Ферродинамический измерительный прибор

5)

 

 

Лекция 7

Электромеханические приборы

Расшифровка знаков:

1) а) Электромеханический измерительный прибор с