Человеческого общества 3 страница

нулевой метод, при котором результирующий эффект воздействия обеих величин на измерительный прибор доводится до нуля (этот метод часто также

называют компенсационным);

дифференциальный метод, при котором образуют и измеряют разность измеряемой и известной величин;

метод замещения, при котором измеряемую величину замещают в процессе измерений известной величиной;

метод совпадений, при котором образуют разность измеряемой и известной величин и оценивают ее по совпадениям или биениям.

Примером средств измерений, в которых используется нулевой метод, являются мосты для измерения сопротивления, емкости и индуктивности. На рисунке 3.1 показана схема моста для измерения сопротивления R_x. Схема состоит из трех сопротивлений с известными значениями (R₂, R₃ и R₄), измеряемого сопротивления R_x, нуль–индикатора НИ и источника постоянного тока ИПТ. Изменяя одно из известных сопротивлений, например R4, добиваются нулевого показания НИ. Это может быть только тогда, когда между точками 2-4 нет разности потенциалов, или, другими словами, падение напряжения между точками 1-2 равно падению напряжения между точками 1-4. Как следствие падения напряжения между точками 2-3 и 3-4 также равны между собой. На основании этих равенств можно определить измеряемое сопротивление R_x, зная известные сопротивления R₂, R₃ и R₄,

. (3.4)

Дифференциальный метод, например, используется при поверке измерительных трансформаторов тока. Принципиальная электрическая схема поверки показана на рисунке 3.2.

Для определения погрешности коэффициентов трансформации поверяемыйтрансформатор тока Т_х сравнивают с образцовым T₀. Первичные обмотки обоих трансформаторов включены в цепь одного и того же тока I₁. Вторичные обмотки включены таким образом, что их токи I_x и I₀ направлены навстречу друг другу. Разность между этими токами, измеряемая при помощи измерительного прибора ИП, пропорциональна разности коэффициентов трансформации, т.е. погрешности коэффициента трансформации поверяемого трансформатора Т_х.

Приведенная на рисунке 3.2 схема является упрощенной. В конструкцию установок для поверки измерительных трансформаторов дифференциальным методом введен ряд дополнений, которые позволяют определять не только погрешность коэффициента трансформации, но и погрешности угла сдвига фаз между токами в первичной и вторичной цепях. Аналогичная схема применяется и для поверки измерительных трансформаторов напряжения.

Применение метода замещения позволяет исключить ряд систематических погрешностей, возникающих в процессе измерения в некоторых средствах измерений. Например, для измерения емкости С_х на высоких частотах используется резонансный измеритель контурного типа.

Рисунок 3.1

Рисунок 3.2

Упрощенная структурная схема такого измерителя в режиме измерения С_х приведена на рисунке 3.3. В простейшем случае достаточно образовать колебательный контур из С_х и образцовой ка­тушки индуктивности L₀ (С_x подключается к зажимам 4-5, емкость регулируе­мого образцового конденсатора С₀ устанавливается на минимальное значение), настроить контур в резонанс по показанию индикатора резонанса ИР изменением частоты измерительного генератора ИГ и, отсчитав значение резонансной частоты (f_р) по шкале ИГ, определить С_x по общеизвестной формуле

. (3.5)

Однако при таком способе измерения существенное влияние на точность измерения оказывают паразитные параметры контура (особенно паразитные емкости) и мы фактически измеряем не С_х, а емкость контура. Поэтому при измерении резонансный метод сочетают с методом замещения.

Рисунок 3.3

При использовании этого сочетания после установки требуемой частоты ИГ настраивают в резонанс контур, образованный С₀ и L₀, изменяя С₀ до значения С₀₁. Затем к зажимам 4-5 подключают С_х и вновь настраивают контур в резонанс на той же частоте, уменьшая С₀ от значения C₀₁ до значения С₀₂. Очевидно, в этом случае

C_x=C₀₁-C₀₂, (3.6)

систематические погрешности, обусловленные паразитными емкостями контура, исключаются из результата измерения С_х, так как они входят с одинаковыми значениями и знаками в С₀₁ и С₀₂.

Метод совпадений характеризуется использованием совпадения отметок шкал и периодических сигналов. Например, по принципу метода совпадения построен нониус штангенциркуля и ряда других приборов. Шкала нониуса штангенциркуля имеет десять делений по 0,9 мм. Когда нулевая отметка шкалы нониуса окажется между отметками основной шкалы штангенциркуля, это бу­дет означать, что к целому числу миллиметров следует прибавить некоторое число х десятых долей миллиметра (рис. 3.4). Так как измеряемая дробная часть миллиметра 0,1·х равна разности между целым числом миллиметров по основной шкале штангенциркуля (п мм) и расстоянием по шкале нониуса от нулевой до совпадающей отметки, равного 0,9·n мм, можно записать 0,1·х = n – 0,9·n = =0,1·n, т.е. х = n. Следовательно, порядковый номер совпадающей отметки нониуса непосредственно дает число десятых долей миллиметра. На рисунке 3.4 n = 7 и 0,1·х = 0,7мм.

Принцип совпадений периодических сигналов лежит в основе методов измерений, в которых используются явления биений, интерференции, а также стробоскопический эффект.

Например, в радиотехнике для сравнения двух близких по частоте синусои­дальных сигналов используется явление биений. Амплитуды двух высокочас­тотных сигналов при совпадении по фазе складываются, затем они перестают совпадать по фазе и через некоторое время оказываются в противофазе. Если амплитуды в противофазе равны, их сумма становится равна нулю. Через такой же промежуток времени совпадают и складываются отрицательные амплитуды и т.д. Так образуется низкочастотный сигнал биения. Чем меньше разность сравниваемых частот, тем меньше частота сигнала биений. Так, при сравнении частот 100 и 101 кГц частота сигнала биений 1 кГц. Такую частоту можно легко зарегистрировать. Явление биений используется главным образом для установления равенства и разности частот.

0,9n  

0,1x  

Рисунок 3.4

3.3 Принципы измерений

Принцип измерений - это совокупность физических явлений, на которых основаны измерения. Например, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта; измерение расхода газа по перепаду давления в сужающем устройстве.

Существенные достоинства, которыми обладают электроизмерительные приборы, обусловили то, что прямые преобразования измеряемых величин (в частности неэлектрических) в перемещения указателей приборов стали заменять преобразованием их в электрические величины, измеряемые с помощью электроизмерительных приборов. Такой путь открыл возможность повышения точности измерений и измерения величин, ранее не поддававшихся измерениям.

Рассмотрим некоторые типичные принципы и отдельные физические явления, позволяющие преобразовать измеряемые неэлектрические величины в электрические:

– нагревание места спая двух электродов из разнородных материалов (спая термопары) вызывает появление э.д.с., что позволяет измерять температуру;

– нагревание электрических проводников и полупроводников вызывает изменение их сопротивления (термометры сопротивления, термисторы). Одни материалы (например, платина) позволяют получить высокую точность измерения температуры, другие материалы (особенно полупроводники) дают возможность измерять очень малые интервалы температур и температуру тел очень малого объема;

– растяжение или сжатие некоторых металлов в пределах их упругости вызывает изменение их электрического сопротивления. Это явление дает возможность изготовлять электротензометры и измерять малые деформации тел и усилия в условиях, при которых измерение другими методами невозможно, например, деформации различных частей машин во время их работы. Это явление позволяет также измерять высокие и сверхвысокие давления (манганиновый манометр);

– в граничном слое между некоторыми полупроводниками и металлами при его освещении возникает э.д.с. Это явление называют фотоэлектрическим эффектом. На использовании его основаны фотоэлементы, дающие возможность измерять световые величины методом непосредственной оценки, а также в ряде случаев исключать необходимость визуального наблюдения;

– электрическое сопротивление некоторых полупроводников под действием света весьма заметно изменяется. Это явление используется для изготовления фотосопротивлений. Применение фотосопротивлений требует постороннего источника тока, однако фотосопротивления обладают значительно более высокой чувствительностью, чем фотоэлементы;

– зависимость яркости свечения тела от температуры, которая в свою очередь зависит от силы тока, накаливающего нити, позволяет измерять температуру бесконтактным методом, например, при помощи оптического пирометра;

– на гранях некоторых кристаллов, когда к двум граням приложена сила, сдавливающая или растягивающая их, возникает э.д.с. Это явление, называемое пьезоэлектрическим эффектом, обратимо, т.е., когда к двум граням приложено напряжение, кристалл деформируется. Пьезоэлектрический эффект, практически безинерционный, получил широкое и разнообразное применение. Он используется для измерения давления, вибрации, частоты электрических колебаний. Особое значение этот эффект имеет для стабилизации частоты высокочастотных генераторов. Для этой цели применяются, как правило, кристаллы кварца;

– магнитная проницаемость тел из ферромагнитных материалов изменяется в зависимости от приложенных к ним механических сил (растягивающих, сжимающих, изгибающих, скручивающих). Наблюдается и обратное явление: в ферромагнитном теле при внесении его в магнитное поле возникают механические деформации. Эти явления получили название магнитострикции. Магнитное поле, изменяющееся при механическом воздействии, измеряется при помощи катушки, обмотка которой помещается на ферромагнитном сердечнике. Магнитострикционные преобразователи применяются главным образом в технике измерения звуковых и ультразвуковых колебаний;

– электрическая емкость плоского конденсатора выражается формулой C = ε·S/d где С - емкость конденсатора; ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрика, находящегося между обкладками; S - площадь его обкладок; d -расстояние между обкладками. Изменение электрической емкости используют для измерения малых размеров и малых перемещений;

– перемещение измеряют также по изменению индуктивности катушки с сердечником из магнитомягкого материала. Изменение воздушного зазора в сердечнике вызывает изменение индуктивного сопротивления катушки, которое определяют тем или иным электрическим методом.

Более подробно виды, методы и принципы измерений описаны в работах [1-4].

Дата добавления: 2015-04-30