Основы технических измерений Лектор: Паутов Валентин Иванович Автор: Паутов Валентин Иванович

Основы технических измерений

ГОУ ВПО УрФУ Институт радиоэлектроники и информационных технологий -- РТФ Кафедра – Автоматика и управление в технических системах Направление – Автоматизация и управление Автоматизация и управление Специальность – Управление и информатика в технических системах – Екатеринбург 2011

Основы технических измерений Введение Нам предстоит: - Лекций – 4 часа, - Лабораторных работ – 6 часов, две работы * 3 Измерение электрических сопротивлений, * 4 Определение параметров электрической цепи с помощью осциллографа. - Зачет.

Основы технических измерений 1.Паутов В.И., Секисов Ю.Н. Основы электрических измерений. Конспект лекций. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, Электронная версия. 2.Тартаковский Д.Ф. Метрология, стандартизация и технические средства измерений. Учебник для студентов вузов./ М.: Высш. шк., Лившиц Н.С., Телешевский Б.Е. Радиотехнические измерения. М., Высш. Шк., Основы метрологии и электрические измерения: Учебник для вузов./ Под ред. Е.М.Душина. Л.: Энергоатомиздат, Измерение электрических и неэлектрических величин: Учеб.пособие для вузов. / Под ред. Н.Н.Евтихиева. М.: Энергоатомиздат, 1990.

Цели дисциплины Использовать полученные знания в профессиональной деятельности, в области научно-исследовательской деятельности,

-изучение основ электротехнических измерений; -ознакомиться с электроизмерительными приборами -овладеть основными понятиями дисциплины; -Приобрести навыки практического использования приборов в лабораторных условиях. Цели изучения материала

В физике существует только то, что можно измерить Макс Планк

Наша способность выполнять измерения является одним из фундаментальных факторов, позволяющих заниматься наукой и техникой. Ни одно современное производство невозможно без измерительной техники.

Специальность "Управление и информатика в технических системах" – УИТС предполагает, что специалисту в этой области предстоит управлять техническими системами.

Для правильного управления необходимо знать состояние этой системы. Знание состояния может быть получено лишь в результате проведения измерений, получения количественной и качественной информации о сложнейших технологических процессах современных производств.

Знания, полученные в курсе "Основы технических измерений" будут расширены и углублены в курсах "Метрология, стандартизация и сертификация", "Технические средства систем управления" и обобщены в курсе "Информационно-измерительные системы". Таким образом, измерения и преобразование измерительной информации будут рассматриваться в течение пяти семестров.

Многие темы дипломных проектов посвящены измерениям и преобразованию измерительной информации.

содержание Введение Основы электротехнических измерений Измерение электрических токов и напряжений Измерение электрических сопротивлений Измерение переменных токов и напряжений Измерения с помощью электронного осциллографа Электрорадио- измерительные приборы Сборка электрических цепей, измерение их параметров Выводы Список литературы

Основные понятия Предметная область – технические измерения электрических величин Проблемная область –задачи, решаемые в этой области. Данные –промежуточные или окончательные результаты измерений Знания – любая информация, получаемая в результате измерений

термины Измерение –процесс количественной оценки материальных объектов, их свойств или параметров процесса, или физического явления, путем сравнения с эталоном. Эталон – объект или физический процесс, пригодный для воспроизведения меры, признанной единицей измерения.

термины Класс точности – доля полной величины эталонной меры (полной шкалы измерительного прибора), выраженная в процентах, характеризует точность использованного эталона (прибора). Погрешность измерения – абсолютная - отклонение полученного результата измерения от истинного значения измеряемой величины, выраженная в единицах измерения. относительная – отклонение полученного результата, от истинного значения, выраженная в процентах.

Термины Измерительный прибор – устройство предназначенное для измерений механических, электрических или физических величин. Аттестация измерительных приборов – оценка точности результатов измерения с результатами измерения образцовых приборов в государственных метрологических организациях. Поверка приборов – проверка точности приборов метрологической службой предприятия.

Измерения

Измерение – процесс количественной оценки материальных объектов, их свойств, или параметров процесса, или физического явления. В данном курсе мы познакомимся с приборами для измерения электрических величин, таких как: - электрический ток, электрическое напряжение, электрическое сопротивление. При выполнении электрических измерений, в большинстве случаев достаточно использовать приборы с классом точности 1. Первый класс измерительного прибора обеспечивает измерение электрической величины с ошибкой 1% от предельного показания прибора (шкалы).

Измерение силы постоянного тока Для измерения силы постоянного тока применяются стрелочные и электронные цифровые приборы. Они относятся к классу амперметров (независимо от пределов измерения). С учетом диапазона измеряемой силы тока к названию амперметр добавляется приставка: – микро- измеряется сила тока кратная А, - милли – измеряется сила тока кратная А, - кило - измеряется сила тока кратная 10 3 А.

Организация измерительного процесса. Для измерения силы тока в любой электрической цепи необходимо разорвать эту цепь и включить амперметр в этот разрыв. Все перечисленные действия выполняются при отключенных источниках напряжения или тока. После включения источников напряжения производится измерение силы тока. Включение амперметра в электрическую цепь вносит дополнительное электрическое сопротивление. Полученный результат будет отличаться от реального значения тока. Ошибка измерения зависит от величины электрического сопротивления, а не только от класса точности измерительного прибора. Рассмотрим на примере.

Амперметр представлен идеальным измерительным прибором А и сопротивлением r. Сопротивление r равно по величине омическому сопротивлению преобразователя амперметра и соединительных элементов. Сопротивление Rн – сопротивление нагрузки. Е – источник постоянного напряжения. Е А r RHRH Схема включения амперметра в электрическую цепь

Предположим, что сопротивление нагрузки Rн – равно - 0,1 Ом, сопротивление амперметра r – равно 0,01 Ом. В этом случае сопротивление нагрузки много больше, чем сопротивление измерительного прибора, и можно ожидать, что результат измерения буде достаточно точным. Рассчитаем относительную ошибку измерения.

До включения измерительного прибора сопротивление цепи R равно 0,1 Ом, после включения амперметра в цепь сопротивление цепи равно R + r =0,11 Ом. Относительное изменение сопротивления цепи составит.

Многопредельные амперметры При проведении отладочных работ сложной аппаратуры часто возникает потребность измерять силу тока в нескольких диапазонах значений, не перекрываемых шкалой одного прибора. Использование нескольких измерительных приборов, в этом случае неудобно. Это неудобство устраняется при использовании многопредельных амперметров.

Многопредельный амперметр получается из однопредельного, путем введения дополнительных элементов, позволяющих изменять постоянную прибора, или ответвляющих часть тока в дополнительный элемент. Элемент, по которому пропускается часть тока, называется шунтом.

Многопредельные амперметры

А IXIX Схема подключения шунта к амперметру I ПР R ПР IШIШ RШRШ R пр – активное сопротивление измерительной цепи амперметра, R ш – сопротивление шунтирующего элемента, А – идеализированный амперметр.

Измеряемый ток – I X, согласно с законом Кирхгофа, разветвляется на два тока: I ПР – ток прибора и I Ш – ток шунта. Распределение токов по ветвям новой цепи диктуется выбором значений омических сопротивлений включенных в каждую из них. Допустим, что нам необходимо измерить ток I X в 10 раз, превышающий предельное значение тока, указанное на шкале амперметра I X =10I ПР. Для этого необходимо выбрать сопротивление шунта таким, чтобы удовлетворить решению уравнения 10I ПР = I ПР + I Ш, отсюда I Ш =9 I ПР.

Падения напряжения на приборе и шунте равны друг другу, поэтому можно записать Сопротивление прибора - R ПР –известно, Можно определить сопротивление шунта R Ш.. Видим, что для расширения шкалы прибора в 10 раз, необходимо зашунтировать прибор сопротивлением в 9 раз меньшим, чем собственное сопротивление амперметра.

Амперметры переменного тока с преобразованием в постоянный Для выполнения измерений в процессе отладки аппаратуры удобно совмещать в одном приборе амперметры постоянного и переменного тока. В основе такого амперметра лежит амперметр магнитоэлектрической системы с преобразованием переменного тока в постоянный. Преобразование выполняется выпрямителем переменного тока на базе полупроводниковых диодов.

А R1 R2 Д1 Д2 Аа Ба IпрIпр I обр I ПР При включении амперметра в электрическую цепь, на зажимы А,Б подается переменное напряжение. Ток I пр по цепи (Д1, А) – протекает только в том полупериоде переменного напряжения, когда потенциал зажима А выше потенциала зажима Б, в этом случае диод Д1 включен в проводящем направлении. При смене полярности на зажимах А и Б, диод Д1 запирается (не пропускает электрический ток), диод Д2 отпирается, то есть пропускает электрический ток I обр.

Полупроводниковый диод является нелинейным элементом, это означает, что зависимость тока через диод не подчиняется закону Ома. Вольт – амперная характеристика диода I = f(U) UВUВ IАIА Область прямого включения диода Область обратного включения диода I ОТП U ОТП I ОБР

А U~U~

Измерение электрических напряжений Схема измерения электрических напряжений отличается от схемы измерения тока тем, что измерительный прибор подключается параллельно к участку электрической цепи, на котором необходимо измерить напряжение. Рис.1. V U ВХ RЦRЦ RВRВ RНRН UНUН А Б

R Ц – эквивалентное сопротивление электрической цепи включающее все элементы по которым подается напряжение, R Н – электрическое сопротивление участка цепи на котором измеряется напряжение, R В – электрическое сопротивление измерительного прибора, V – вольтметр. Напряжение U ВХ подается на электрическую цепь, состоящую из элементов R Ц и R Н. Необходимо измерить напряжение, падающее на сопротивлении R Н. Вольтметр – V подключаем к зажимам А и Б, как показано на Рис.

Для измерения постоянного напряжения используется амперметр постоянного тока с добавочным сопротивлением на Рис. добавочное сопротивление показано пунктиром. Введение добавочного сопротивления необходимо для повышения электрического сопротивления амперметра, так как собственное сопротивление амперметра очень мало. Измерительный прибор, обеспечивает малую погрешность, вносимую измерительным прибором только в том случае, когда собственное сопротивление прибора R В >> R Н.

В вольтметрах данного типа измерение напряжения заменяется измерением тока. Напряжение между зажимами А и Б можно выразить через ток и сопротивление в цепи вольтметра U R = I B R B Измерение переменных напряжений производится либо вольтметрами постоянного тока с выпрямителем, либо вольтметрами электромагнитной системы.

Измерение электрических сопротивлений В производстве электронных компонентов измерение и маркировка электрических сопротивлений занимают значительное время. В технологических процессах различных отраслей промышленности используется огромное количество резистивных датчиков, измеряющих: - температуру, давление, усилия и другие параметры технологических процессов.

Управление технологическими и физическими установками невозможно без знания точных параметров процесса, это может привести к выпуску бракованной продукции и даже к аварийным ситуациям, опасным для населения городов и регионов. Приведем несколько примеров, в которых измерение сопротивлений играет важную роль: - сортировка резисторов по их номинальным значениям (изготовление резисторов), - измерение температуры термометрами сопротивления (зависимость электрического сопротивления от температуры известна с высокой точностью), -измерение деформаций твердого тела при воздействии на него механических усилий с помощью тензорезистора.

Методы измерения сопротивлений Метод амперметра и вольтметра. Метод амперметра и вольтметра применяется для измерения электрического сопротивления в широком интервале номинальных значений измеряемой величины. Метод позволяет выполнить измерение при токовых нагрузках, совпадающих с режимом работы элемента. Это важно в том случае, когда электрическое сопротивление зависит от плотности тока, протекающего через элемент (терморезистор, выпрямительный диод).

Измерение является косвенным, так как значение электрического сопротивления находится путем вычисления А V I IXIX IBIB RXRX А V I IXIX IBIB RXRX U U

Для схемы а) – искомое сопротивление вычисляется подстановкой значений токов и напряжений на участках измерительной цепи Видим, что в результат вычислений вносится вклад током вольтметра. Погрешность измерения - вносимая способом включения, определяется величинами сопротивлений измерительной цепи. 100%

Где - R B = сопротивлению вольтметра. Погрешность измерения тем ниже, чем больше сопротивление вольтметра. Для схемы в) - формулой 100% формулой. Относительная погрешность измерения в этом случае снижается при использовании амперметра удовлетворяющего неравенству R >> R A.

Мостовые методы измерения сопротивлений Мостовые методы измерения относятся к методам, основанным на сравнении измеряемой величины с эталоном этой величины. Методы, основанные на сравнении, позволяют использовать измерительные приборы высокой чувствительности и высокой точности. Они применяются для измерения не только активных, но и реактивных сопротивлений.

А R2 R1 R3R4 U IГIГ Каждый из резисторов показанных на схеме является плечом моста. К диагоналям моста подключены источник питания U и гальванометр А. Гальванометр – это высокочувствительный амперметр, имеющий собственное сопротивление R Г.

Силу тока I Г, протекающего через гальванометр можно рассчитать. Видим, что ток гальванометра определяется напряжением питания моста и всеми резисторами, входящими в схему. Предположим, что все номиналы резисторов известны, кроме одного, например R1, измерив силу тока, можем рассчитать значение неизвестного сопротивления. Такой способ измерения, в котором мерой сопротивления является ток в диагонали моста, называется измерением с неуравновешенным мостом. Неуравновешенный мост используется в области измерений неэлектрических физических величин электрическими методами.

Для электрических измерений используются уравновешенные мосты. В уравновешенном мосте ток гальванометра равен нолю. Из приведенного выше выражения видно, что ток гальванометра равен нолю, если числитель дроби равен нолю. R1R4-R2R3=0 Допустим, что не известно сопротивление R1=R X, тогда из условия равновесия моста получаем Это выражение является основным уравнением для расчета искомого сопротивления. Равновесие моста достигается подбором сопротивления R2 или изменением отношения R3/R4.

Измерение комплексных сопротивлений Электрическое сопротивление элемента называется комплексным, если его модуль зависит от частоты, протекающего по нему тока. К таким сопротивлениям относятся: -индуктивности, емкости и другие элементы для которых, по условиям работы, необходимо учитывать влияние паразитных параметров элемента. Комплексное сопротивление содержит в своей структуре активное сопротивление R и реактивное сопротивление X. Последнее может носить индуктивный или емкостной характер.

Модуль комплексного сопротивления рассчитывается по формуле где: R- сопротивление постоянному току (активное) Х - реактивное сопротивление (зависит от частоты и способно запасать энергию – электрическую или магнитную). Измерение комплексных сопротивлений выполняется мостовым методом при питании моста переменным напряжением.

А U~U~ Z2 Z1 Z3 Z4 I1I1I1I1 I2I2 I2I2 Обозначив комплексные сопротивления индексом Z, получаем схему моста переменного тока, подобную схеме моста постоянного тока. Баланс моста запишем в комплексном виде -

Поделим эти два равенства друг на друга, получаем: - Приводим к общему знаменателю Z 1 Z 4 =Z 3 Z 2. Это выражение похоже на выражении баланса моста постоянного тока, отличие состоит в том, что сопротивления в нем комплексные.

Электронные измерительные приборы Структурная схема частотомера Устройство согласования уровней Формирователь стандартного импульса Счетчик преобразователь RC Генератор тактовых импульсов Формирователь цикла Формирователь длительности измерения индикатор код вход Формирователь времени индикации

Электронные измерительные приборы Время измерения t изм –это время в течение которого счетчик преобразователь считает входные сигналы. Время измерения связано с емкостью счетчика и частотой следования входного сигнала следующим соотношением - где; - t изм – время измерения, - n –емкость счетчика,f – частота исследуемого сигнала. Из приведенной формулы видно, что имея счетчик емкостью 10 4 и время измерения одну секунду мы сможем измерить частоту не превосходящую значение 10 кГц. Погрешность измерения составит За счет просчетов счетчика и погрешности формирования длительности времени измерения 1 Гц.

Электронные вольтметры Вольтметр переменного тока Стрелочный индикатор аттенюатор вход Выбор диапазона усилитель Усилитель выпрямитель Аналоговый выход

Электронные вольтметры Вольтметр постоянного тока аттенюатор вход диапазон усилитель ЦАП устройство сравнения генератор цифрового кода Импульс равенства индикатор Числовой код результата Структурная схема вольтметра постоянного тока

Электронные измерительные приборы (мультиметр) Цифровой вольтметр Преобразователь рода тока Преобразователь тока в напряжение Преобразователь сопротивления в напряжение Перекл ючатель вида измерен ий индикатор напряжение ток сопротивление Единица измерения Структурная схема мультиметра

Органы управления мультиметром. 1. Дисплей мультиметра. 2, 3, 4, 5 – входные гнезда подключения измерительных щупов. 6 – переключатель рода измеряемого тока или напряжения – АС-ДС. 7 – переключатель измерения напряжения –V. 8 – переключатель измерения тока мА. 9 – переключатель измерения электрического сопротивления кО. 10, 11,12,13,14,15 –переключатели диапазона измерения всех измеряемых величин диапазон указан надписями, расположенными над кнопками переключателя. 16 – выключатель напряжения питания мультиметра. Электронные измерительные приборы ( мультиметр)

Лицевая панель мультиметра

ЗГУСУМ R вых Част. Частота Вых. напр. Структурная схема генератора GFG-8216 форм Пер. формы Смещ. вых Вых. ттл Вх. част

Органы управления генератора. 1.Дисплей встроенного частотомера. 2,3, 9,….13 –кнопки выбора диапазона частоты. (13 -1 Гц, Гц, Гц, кГц, 9 – 10 кГц. 3 – 100 кГц, 2 – 1 мГц) 5,6,7,–кнопки выбора формы сигнала. 8 – аттенюатор (ослабление входного сигнала на 20 дБ). 4 – GATE –выбор времени счета встроенного частотомера. 14–выключатель питания генератора. 15 –потенциометр плавной настройки частоты в пределах выбранного диапазона. 16 – выход сигнала прямоугольной формы с уровнями, совпадающими с требованиями логики ТТЛ. 17 – DUTY – регулировка скважности сигналов прямоугольной формы. 18 – переключатель уровня прямоугольного сигнала ТТЛ уровня на уровни КМОП. 19 – дополнение выходного сигнала постоянной составляющей. 20 – регулировка амплитуды выходных сигналов Выходной разъем генератора

Измерение силы тока

V U ВХ R ЦR Ц RВRВ RНRН UНUН А Б Измерение электрических напряжений Подключение вольтметра при измерении напряжения