Средства и единицы измерения

Тема. Методы и средства измерений, контроля электрических и магнитных величин

Рынок информационных услуг

Для правильного принятия решения, особенно стратегического, главную роль играет информация. Информация в экономике – это данные, которые определяют ожидания и выбор индивидов. С информацией связаны две проблемы. 1) Проблема ассиметричной информации, когда отдельные индивиды, участвующие в рыночных сделках, имеют больше информации, чем другие. 2) Проблема неполной информации. В этом случае диапазон решений может быть столь велик, что трудно что-либо прогнозировать.

Значительную часть информации предоставляет государство бесплатно: метеосводки, телефонная справочная служба 09, брошюры о системе обязательного медицинского страхования, справочники о вакантных местах в отдельных регионах, справочники об органах власти и управления в регионах, информация, передаваемая по государственным теле- и радиоканалам и др.

Одновременно формируется рынок информационных услуг. Например, постоянно обновляемые информационно-правовые системы «Гарант» и «Консультант-плюс», услуги любых консалтинговых фирм, продажа телефонных справочников, система Интернет.

Развитие измерительной техники все шире идет по пути использования электрических методов измерений вне зависимости от того, какие параметры, электрические или неэлектрические, предполагается измерять. Поэтому процесс измерений можно представить в виде блок-схемы, состоящей из блока преобразования, обеспечивающего преобразование практически любой физической величины, подлежащей измерению, в электрическую, которая может быть уже измерена электрическим прибором (рис. 9.1, а).

Рисунок 9.1 – Схемы преобразователей:

а – одноступенчатого; б – двухступенчатого

Такой преобразователь часто называют просто датчиком. Удобнее всего проводить измерения на выходе такого преобразователя с помощью прибора для измерения напряжения или тока. Например, для измерения частоты вращения двигателя внутреннего сгорания автомобиля используют преобразователь, представляющий собой генератор постоянного напряжения, величина которого прямо пропорциональна частоте вращения, и тот прибор — вольтметр, который подключается к выходу генератора, может быть непосредственно отградуирован в единицах частоты вращения. В некоторых случаях конструкция преобразователя может быть двухступенчатой (рис. 9.1, б). Первая ступень преобразовывает входную величину, которая непосредственно не может быть преобразована в напряжение или ток, в другую физическую величину, которая уже легко может быть преобразована в напряжение или ток.

К подобной схеме преобразователя можно отнести устройство измерения атмосферного давления, в котором первая ступень представляет собой анероидную коробку — круглую металлическую с гофрированными основаниями, в которой создано сильное разряжение. Изменение атмосферного давления приводит к сжатию или раздуванию коробки. Это изменение геометрических размеров анероидной коробки можно превратить в электрическую величину, если установить потенциометр, движок которого, связанный механически с коробкой, будет при этом перемещаться. Этот потенциометр будет представлять собой вторую ступень преобразователя атмосферного давления в электрический сигнал. На этом принципе работают, например, авиационные высотомеры.

Рассмотрим электрические и магнитные величины и единицы их измерения, с которыми чаще всего приходится иметь дело.

В табл. 9.1 приведены физические величины, наименование единиц и их условные обозначения как русские, так и международные.

Кратные и дольные единицы электрических и магнитных величин образуются в соответствии с общим правилом путем добавления соответствующих приставок к основным единицам (см. табл. 1.1).

Например, напряжение на входе радиоприемника при приеме дальних радиостанций составляет несколько микровольт, а напряжение в цепях электронных усилителей может быть порядка десятков или сотен милливольт. Еще недавно с конденсаторами емкостью в несколько фарад практически не приходилось встречаться.

Таблица 9.1 - Электрические и магнитные величины

Физическая величина	Наимено-вание единицы	Обозначение единицы
между-народное	русское
Электрическое напряжение, разность электрических потенциалов, электродвижущая сила	вольт	V	В
Сила тока	ампер	А	А
Активная мощность	ватт	W	Вт
Количество электричества (электрический заряд)	кулон	С	Кл
Электрическое сопротивление	ом	Ω	Ом
Электрическая емкость	фарад	F	Ф
Индуктивность, взаимная индуктивность	генри	Н	Гн
Электромагнитная энергия	джоуль	J	Дж
Магнитный поток	вебер	Wb	Вб
Магнитная индукция	тесла	т	Тл
Напряженность магнитного поля	ампер на метр	А/m	А/м

Только сейчас появились конденсаторы такой и еще большей емкости, используемые, например, в системах пуска двигателей внутреннего сгорания вместо аккумуляторных батарей. В остальных случаях применяются конденсаторы гораздо меньшей емкости. Так, в радиоприемниках чаще всего можно встретить конденсаторы емкостью в десятки и тысячи пикофарад, а в выпрямителях в схемах фильтров — обычно не более сотни микрофарад.

В то же время приходится сталкиваться и с более крупными значениями электрических величин, чем их основные единицы. Это кило (к) и мега (М), где к = 10³, а М = 10⁶. Например, мощность электродвигателей различных станков обычно лежит в пределах 5...15 кВт, а сопротивление изоляции проводов и кабелей доходит до сотен МОм.

Параметры некоторых электрических процессов или материалов не имеют специальных единиц измерений, а характеризуются размерностью. Например, плотность тока измеряется в амперах на метр (А/м).

В некоторых случаях используется понятие стандартного сигнала, который представляет собой сигнал с нормированными характеристиками (параметрами), утвержденный как стандартный государственным или международным метрологическим органом.

Благодаря стандартизации параметров сигналов обеспечивается совместимость измерительных устройств между собой и с другими устройствами. В качестве международных используются, например, следующие электрические стандартные сигналы: тока 0...5 мА, 0...20 мА; напряжения 0...10 В. Понятие стандартного сигнала распространяется также и на цифровые сигналы. Так, в двоичной системе уровню нуля соответствует стандартный сигнал 0 В, а уровню единицы — 12, 24 или 48 В.

Как уже отмечалось, измерение большинства электрических (так же, как и неэлектрических) величин в той или иной степени связано с измерением напряжения или тока.

Рассмотрим наиболее часто используемые для этой цели измерительные приборы. Один из них — магнитоэлектрический прибор (рис. 9.2). Для простоты на рисунке не показана спиральная пружина, создающая противодействующий момент.

Рисунок 9.2 – Конструкция прибора магнитоэлектрической системы:

1 – рамка с обмоткой; 2 – магнит.

Прибор представляет собой неподвижный постоянный магнит 2, в поле которого располагается рамка с обмоткой 1. При протекании по катушке тока в соответствии с физическими законами возникают силы, действующие на витки катушки, находящейся в магнитном поле. Так как силы, действующие на витки противоположных сторон катушки из-за противоположного направления тока в них направлены в разные стороны, то создается вращающий момент, подвижная часть с рамкой поворачивается и стрелочный указатель показывает величину силы тока, проходящего через рамку, или величину приложенного к обмотке рамки напряжения.

Теория такого магнитоэлектрического прибора показывает, что угол отклонения стрелки α оказывается прямо пропорциональным напряжению или току:

α =k₁U;

α =k₂I

где k₁ и k₂— коэффициенты пропорциональности, зависящие от конструктивных параметров прибора.

К достоинствам магнитоэлектрического прибора можно отнести следующие:

· достаточно высокую точность;

· очень высокую чувствительность (можно измерять до миллионных долей вольта магнитоэлектрическими гальванометрами);

· отсутствие влияния внешних магнитных полей (так как магнитное поле своего постоянного магнита достаточно сильное);

· линейность шкалы (т.е. шкала равномерная).

В то же время прибор не лишен и недостатков, основной из которых — невозможность измерения переменных напряжений и токов.

Магнитоэлектрический прибор находит самое широкое применение в различных схемах измерений и в качестве конечного индикатора на выходе преобразователей.

Разновидность магнитоэлектрического прибора, предназначенного для измерения переменных напряжений и токов, — прибор выпрямительной системы. Он представляет собой комбинацию магнитоэлектрического прибора со схемой выпрямителя. Наиболее часто в качестве выпрямителя используют мостовую схему, или, как её еще часто называют, полусхему Герца (рис. 9.3). В ней используются два полупроводниковых диода VD, два резистора R. К одной диагонали моста подводится измеряемое переменное напряжение, а во вторую диагональ подключается стандартный магнитоэлектрический прибор.

Рисунок 9.3 – Схема прибора выпрямительной системы

Известно, что диоды пропускают ток только в одном направлении (в направлении стрелки условного обозначения) и, как видно из схемы выпрямителя, ток через собственно прибор проходит в одном и том же направлении при любой полярности переменного напряжения на входе. По сравнению с магнитоэлектрическим прибором прибор выпрямительной системы обладает меньшей чувствительностью и точностью. Это связано с тем, что характеристики полупроводникового диода зависят от температуры и он не может пропускать ток при напряжениях, приложенных к нему меньше 0,1 В. Кроме того, характеристика диода нелинейна и для обеспечения приемлемой линейности шкалы последовательно с ним включается резистор R. Несмотря на эти недостатки выпрямительные приборы находят достаточно широкое применение в технике измерений.

В качестве третьего типа приборов рассмотрим конструкцию прибора ферродинамической системы (рис. 9.4), которая широко используется в качестве приборов для измерения мощности — ваттметров. Во многом конструкция такого прибора напоминает конструкцию магнитоэлектрического прибора, но в нём вместо постоянного магнита используется электромагнит, т.е. в нём имеется магнитопровод 2, на котором намотана обмотка 3 длясоздания магнитного потока. Если через эту обмотку пропустить электрический ток, то вторая обмотка, намотанная на рамке, окажется в магнитном поле и, если в ней протекает ток, как и в магнитоэлектрическом приборе, возникнет вращающий момент и стрелка прибора, связанная с подвижной рамкой, переместится на некоторый угол. Отличие заключается только в том, что при подаче к обеим катушкам переменного тока одновременно будет меняться направление тока в катушке на рамке и направление магнитного поля, создаваемого обмоткой на магнитопроводе. Поэтому направление вращающего момента будет все время направлено в одну и ту же сторону, т.е. ферродинамический прибор может работать как на постоянном, так и на переменном токе.

Рисунок 9.4 – Конструкция прибора ферродинамической системы

Ферродинамический прибор обладает достаточно высокой чувствительностью, но точность его ниже, чем у прибора магнитоэлектрического типа, особенно при работе на постоянном токе, так как магнитопровод в этом случае может намагнититься, этот факт будет вносить дополнительные погрешности в показания прибора.

Широкое применение в промышленности нашел прибор электромагнитной системы (рис. 9.5). Пожалуй, это один из наиболее простых и дешёвых приборов, обладающий к тому же большой перегрузочной способностью и большой механической прочностью. Конструктивно он состоит из неподвижной катушки 1 и ферромагнитного сердечника 3, который под действием магнитного поля катушки при подаче на неё напряжения втягивается внутрь катушки. Ферромагнитный сердечник 3 связан со стрелкой прибора, а так как магнитное поле тем сильней, чем больший ток проходит по виткам неподвижной катушки 1, то отклонение стрелки будет зависеть от величины приложенного напряжения или проходящего через катушку тока. Втягивание ферромагнитного сердечника 3 внутрь катушки не зависит от направления тока в ней, и, следовательно, прибор может работать как на постоянном, так и на переменном токе. К сожалению, электромагнитный прибор обладает и рядом недостатков. Чувствительность его невелика, точность также мала, особенно при работе на постоянном токе. Кроме того, у него нелинейная шкала, что в какой-то мере затрудняет считывание результатов измерения.

Рисунок 9.5 – Конструкция прибора электромагнитной системы:

1 – неподвижная катушка; 2 – пружина; 3 – ферромагнитный сердечник.

Несмотря на эти недостатки прибор электромагнитной системы наиболее широко используется для непосредственного измерения напряжения и токов в цехах, на транспорте, а также в случаях, где требуется высокая надёжность работы приборов в условиях вибраций, тряски и даже ударов.

Все рассмотренные измерительные приборы относятся к так называемому аналоговому типу, имеющему подвижную индикаторную часть в виде стрелки. Развитие электроники позволило не только улучшить характеристики измерительных приборов, но и изменить их качественно, снабдив цифровым индикатором результатов измерений. Такие приборы обычно называются цифровыми или дискретного типа.

Рассмотрим электронный прибор с аналоговым индикатором — электронный вольтметр (рис. 9.6). На его входе имеется входное устройство, которое обеспечивает очень большое входное сопротивление вольтметра, практически не нагружающего цепь измерения. (В отличие от электромеханических приборов электронные для своей работы не нуждаются в энергии измеряемой цепи, так как для своей работы используют или электрическую сеть, или автономные источники питания.) Усиление входного сигнала может осуществляться как на переменном, так и на постоянном токе при измерении переменного напряжения или только на постоянном токе при измерении постоянного напряжения. При измерении переменного напряжения для обеспечения работы усилителя постоянного тока применяется выпрямитель, часто именуемый детектором. На выходе прибора устанавливается обычный магнитоэлектрический прибор, по которому производится отсчет результатов измерений.

Рисунок 9.6 – Схема аналогового электронного вольтметра

Цифровой вольтметр (рис. 9.7) после усиления входного сигнала аналоговыми усилителями использует аналого-цифровой преобразователь (АЦП), преобразующий аналоговый сигнал в цифры, которые могут быть поданы на цифровой индикатор, где результаты измерения отображаются непосредственно в виде цифр.

Рисунок 9.7 – Схема цифрового вольтметра

Еще сравнительно недавно цифровые приборы были большими по габаритным размерам, включали много транзисторов и других элементов схем. Развитие микроэлектроники, создание новых микросхем позволили существенно уменьшить габаритные размеры, схемную сложность и стоимость цифровых приборов. Например, АЦП представляет собой небольшую микросхему. Необходимо иметь в виду, что цифровые приборы не удобны при измерении быстроменяющихся величин, так как мелькание различных цифр на индикаторе не дает понять характер процессов, контролируемых измерительной аппаратурой. В то же время цифровые приборы позволяют очень просто вводить результаты измерений в компьютеры, которые все шире используются в измерительных комплексах.

Дата добавления: 2015-07-02