книги / Приборы и методы измерения электрических величин.-1

Случайный сигнал — сигнал, мгновенные значения которого — случайные величины, т. е. принимают одно из множества возмож­ ных значений. Следовательно, для случайных сигналов ото­ бражающую их функцию пред­

ставить нельзя.

Основные характеристики случайных сигналов — закон распределения вероятностей (позволяет найти относитель­ ную длительность пребывания значения сигнала в опреде­ ленном интервале уровней, а также отношение максималь­ ного значения сигнала к среднеквадратическому зна че-

ниюидр.); спектральное распределение мощностей сигнала (позво­ ляет найти распределение по частотам средней мощности сигнала).

Наряду с полезными случайными сигналами существуют случай­ ные помехи — шумы, ограничивающие скорость передачи информа­ ции при заданном полезном сигнале.

§1.3. Классификация измерительных приборов

иих характеристики

Виды измерительных приборов. Измерительные приборы разно­ образны вследствие различных измерительных задач и требований, предъявляемых к ним.

Приборы, используемые для измерения электрических величин, можно разделить на электроизмерительные и электронные. В боль­ шинстве случаев электроизмерительные приборы являются электро­ механическими.

Измерительные приборы можно классифицировать по различным признакам.

Измерительные приборы представляют собой различное сочета­ ние измерительных преобразователей, выполняющих определенные функции. Условным изображением структуры измерительного при­ бора является структурная схема, показывающая взаимодействие основных его преобразователей.

П о с х е м е п р е о б р а з о в а н и я различают структурные схемы измерительных приборов прямого преобразования и компен­ сационного преобразования (уравновешивания).

Структурная схема прибора прямого преобразования (рис. 1.6, а) показывает, что преобразование сигнала измерительной информа­ ции происходит только в одном направлении, т. е. без применения обратной связи. Входной сигнал X последовательно через преоб­ разователи /7Х, Л2, ..., Пп преобразуется в выходной сигнал У, удобный для наблюдения, регистрации или запоминания (Ух, У2, .... Уп-г — промежуточные величины). Примером прибора пря-

мого преобразования являются аналоговые электромеханические приборы.

Структурная схема прибора компенсационного преобразования (уравновешивания) замкнутого типа (рис. 1.6, б) показывает, что прибор имеет две цепи: прямого преобразования, состоящую из преобразователей Пг, Я2, .... Я„, и обратного преобразования, состоящую из преобразователей По1, ПоЪ ..., Пот. На входе цепи прямого преобразования происходит сравнение (компенсация) двух однородных величин противоположного знака: входной измеряемой величины X с выходной величиной Ху цепи обратного преобразо­ вания. По разности АХ = X — Ху на выходе преобразователя судят об измеряемой величине X. Компенсация может быть полной или частичной, тогда в установившемся режиме АХ = О или АХ ф 0. Следовательно, цепь прямого преобразования обеспечивает пере-

Рис. 1.6. Схемы приборов прямого (а) и компенсационного

(б) преобразований

дачу значения величины АХ к показывающему выходному прибору, а цепь обратного преобразования обеспечивает изменение значения величины Х у.

П о с п о с о б у с р а в н е н и я и з м е р я е м о й в е л и ­ ч и н ы с м е р о й измерительные приборы делятся на приборы непосредственной оценки и сравнения.

Приборы непосредственной оценки могут быть заранее градуи­ рованы в единицах измеряемой величины, и мера участвует в про­ цессе градуировки.

В приборах сравнения мера присутствует в процессе каждого измерения.

Приборы непосредственной оценки выполняются либо по схеме прямого преобразования, либо по схеме смешанного преобразова­ ния, т. е. сочетают в себе обе схемы преобразования; приборы же сравнения — по компенсационной схеме.

По способу в ы д а ч и и з м е р и т е л ь н о й и н ф о р м а ц и и измерительные приборы делятся на показывающие и регистрирую­ щие. Показывающие приборы позволяют осуществлять отсчитывание показаний, регистрирующие — отсчитывание, а также регист­ рацию измеряемой величины либо в функции времени, либо в функ­ ции другой величины. Регистрирующие приборы, осуществляющие

запись показаний в форме диаграммы, называют самопишущими, а печатающие показания в цифровой форме — печатающими. Приборы могут либо выдавать информацию о текущем значении измеряемой величины, либо измеряемую величину интегрировать по времени или по другой независимой переменной, либо суммиро­ вать показания двух или нескольких величин, подводимых к ним по различным каналам.

Аналоговые приборы — измерительные приборы, показания ко­ торых являются непрерывными функциями изменений измеряемых величин. В аналоговых (стрелочных) приборах непрерывная изме­ ряемая величина вызывает подобное же ей непрерывное отклонение указателя по шкале, т. е. аналоговая величина представляет собой подобие другой величины.

Цифровые приборы — измерительные приборы, в которых не­ прерывная измеряемая величина автоматически преобразуется в дискретную и результат измерения выдается в цифровом коде (десятичном коде для визуального отсчета и двоичном для ЭВМ и цифропечати).

боры делятся на обыкновенные, пыле-, водо- и брызгозащищенные, герметические и др.

Принципы построения электронных измерительных приборов. Электронные измерительные приборы представляют собой сложные устройства, содержащие большое число преобразователей, выпол­ няющих функции генерирования, усиления, выпрямления, преоб­ разования электрических сигналов определенной формы, аналого­ вого сигнала в дискретный и наоборот, сравнения и др. Электрон­ ные приборы разрабатываются на активных элементах — электрон­ ных лампах, транзисторах, микросхемах и на пассивных элементах

— резисторах, конденсаторах, катушках индуктивности.

Электронные измерительные приборы можно условно разделить на четыре группы:

1. Измерительные генераторы — маломощные источники сиг­ налов различной формы, амплитуды и частоты, предназначенные для калиброванного воздействия на исследуемую или настраивае­ мую аппаратуру, питания измерительных цепей, измерения ряда параметров сигналов, использования в качестве меры и т. д.

2. Приборы, предназначенные для измерения значений физиче­ ских величин, параметров и характеристик сигналов. К этой группе приборов относятся электронные осциллографы, вольтметры, ча­ стотомеры, фазометры, анализаторы спектров и др., предназначен­ ные, как и аналогичные электромеханические приборы, для изме­ рения значения почти всех физических величин. Если для электро­ механических приборов характерны большая мощность потребления и применение для измерений на постоянном токе и в области низ­

ких частот (20—2500 Гц), то для электронных приборов характерны малая мощность потребления и применение для измерений на по­ стоянном токе и в широкой полосе низких, высоких и сверхвысоких частот.

Электронные приборы данной группы обладают широким ампли­ тудным диапазоном. Их можно использовать в цепях с различной формой сигнала; от цепи, в которой производится измерение, при­ боры потребляют мало энергии, т. е. обладают большим входным сопротивлением, благодаря чему ими можно выполнять измерения в цепях маломощных источников сигналов. Степень влияния вклю­ чения прибора на режим работы маломощной цепи зависит от зна­

собственная резонансная частота входной цепи /0 = 1/(2л У Ь ихСвх) велика и значительно больше частоты, при которой выполняется измерение. При значениях /?вх в пределах от сотен килоом до десят­ ков мегаом, Свх — от нескольких единиц до десятков пикофарад, Ьвх — несколько микрогенри собственная частота входной цепи прибора составляет значение 300—1500 МГц, а частота колебаний в цепи измеряемого объекта должна быть значительно ниже. Сопро­ тивление входной цепи прибора должно быть раз в 50—100 больше, чем сопротивление цепи объекта измерения.

3.Приборы, предназначенные для измерения характеристик и параметров компонент, входящих в радиоэлектронные цепи. К при­ борам этой группы относят измерители емкостей конденсаторов, индуктивностей катушек, сопротивлений резисторов, добротности контуров и резонаторов, параметров электронных ламп, полупро­ водниковых приборов, цифровых и линейных интегральных схем, амплитудно-частотных характеристик, переходных характери­ стик.

4.Специальные элементы измерительных цепей, к которым отно­ сятся аттенюаторы (ослабители сигналов), фазовращатели и др.

Характеристики измерительных приборов. Основными характе­ ристиками измерительных приборов являются: уравнение преоб­ разования (градуировочная характеристика), чувствительность, по­ рог чувствительности, диапазон измерений, область рабочих частот, статические и динамические погрешности, собственная мощность потребления приборами, быстродействие, надежность, экономич­ ность.

Уравнение преобразования (градуировочная характеристика) У — / (X) — функциональная зависимость между выходным сигна­ лом У и входным сигналом X. Идеальная функция преобразования— линейная зависимость. Эта зависимость может быть представлена в табличной форме, графически или в виде различных аналитиче­

Чувствительность характеризует способность прибора реагиро­ вать на изменения входного сигнала. Чувствительность определяется из уравнения преобразования и представляет собой отношение изменения сигнала АУ на выходе прибора к вызвавшему его изме­

где ДХ/Х — относительное изменение входного сигнала. Чувствительность $ п прибора прямого преобразования (см.

рис. 1.6, а) может быть представлена в виде

$„ = (АУ^АХ) (АУЛАУг) ... (ДУ/ДУ^) = З Д , ... 5Я= ДУ/ДХ, (1.9)

где 5„ = У/АХ и 50бр = ХУ/У — соответственно чувствительности цепей прямого и обратного преобразований; к — 1/(1 + 5 п$обр) — относительное неуравновешивание.

Чувствительность прибора уравновешивания в к раз меньше чувствительности прибора прямого преобразования.

Порог чувствительности — изменение входного сигнала, вызы­ вающее наименьшее изменение выходного сигнала, которое может быть обнаружено наблюдателем с помощью данного прибора без дополнительных устройств,

Диапазон измерений — область значений измеряемого сигнала, для которой нормированы допускаемые погрешности. Эта область ограничена пределами измерений — наибольшим и наименьшим значениями диапазона измерений.

Диапазон измерений может состоять из нескольких поддиапазо­ нов с разными погрешностями.

Полный диапазон измерения

& ~ •'^кз/^пор»

отсчетному устройству прибора и выраженное в единицах этой величины.

Вариация показаний — наибольшая возможная разность между отдельными повторными показаниями прибора, соответствующими одному и тому же действительному значению измеряемой величины при неизменных внешних условиях. Вариация характеризует устой­ чивость показаний прибора.

Область рабочих частот — полоса частот, в пределах которой погрешность прибора, вызванная изменением частоты, не превы­ шает допускаемого предела.

П о с п о с о б у в ы р а ж е н и я различают абсолютную, от­ носительную, приведенную, основную, дополнительную погрешно­ сти измерительных приборов.

Абсолютная погрешность Дп прибора — разность между пока­ занием прибора Хп и истинным значением Х0 измеряемой величины!

Абсолютная погрешность, взятая с обратным знаком, называется

Относительная погрешность уотн прибора — отношение абсо­ лютной погрешности к истинному значению измеряемой величины и выражается в процентах либо в долях истинного значения:

Относительная погрешность обычно существенно изменяется вдоль шкалы прибора, с уменьшением значений измеряемой вели­ чины увеличивается.

Приведенная погрешность упр прибора — отношение абсолют­ ной погрешности к нормирующему значению Хдг (некоторому уста­ новленному значению), по отношению к которому рассчитывается погрешность

Нормирующее значение принимается равным: а) конечному зна­ чению шкалы прибора, если нулевая отметка прибора находится

Взависимости от временного поведения измеряемой величины

впроцессе измерения определяют статические и динамические по­ грешности измерительного прибора.

Статические погрешности — погрешности, возникающие при измерении значения постоянной во времени величины. Примером статической погрешности служит погрешность измерения напряже­ ния постоянного тока или измерения частоты стабильного генера­ тора частоты.

Динамические погрешности — разность между погрешностью прибора в динамическом режиме и его статической погрешностью, соответствующей значению величины в данный момент времени (погрешности в динамическом режиме — погрешности при измере­ нии переменной во времени величины).

Динамическая погрешность зави­

ность потребления прибора, тем меньше погрешность измерений. Мощность потребления приборов электронной и электромехани­

ческой групп различна.

Быстродействие — время, затрачиваемое на одно измерение. Для аналоговых приборов быстродействие определяется временем установления показаний (временем успокоения) — промежутком вре­ мени с момента изменения измеряемой величины до момента уста­ новления показаний прибора.

Для цифровых приборов быстродействие Б определяется как от­ ношение числа измерений п за некоторый промежуток времени М к этому промежутку времени:

Быстродействие цифровых приборов составляет от одного до десятков тысяч измерений в секунду и более.

Надежность — способность прибора сохранять эксплуатацион­ ные параметры в установленных пределах в течение заданного вре­ мени. Основные критерии надежности, по Государственной системе приборов (ГСП), следующие: вероятность безотказной работы в те­ чение заданного времени, интенсивность отказов, среднее время

безотказной работы. Оценка надежности производится в процессе разработки прибора.

Экономичность — простота конструкции в обращении и оправ­ данная экономическая стоимость.

§1.4. Погрешности измерений

иоценка результатов измерений

Погрешность измерений. При практическом осуществлении про­ цесса измерения независимо от точности измерительного прибора, правильности методики и тщательности выполнения измерений ре­ зультат измерения отличается от истинного значения измеряемой величины, т. е. неизбежны погрешности измерения. Но так как истинное значение измеряемой величины всегда неизвестно, то при оценке погрешности взамен его принимают действительное значение. Следовательно, можно дать лишь приближенную оценку погреш­ ности измерения. Определение погрешности измерения, т. е. оценка достоверности результата измерения, — одна из основных задач метрологии.

Погрешности измерения можно классифицировать по различным признакам.

П о с п о с о б у ч и с л о в о г о в ы р а ж е н и я различают: абсолютные погрешности ДХ, выраженные в единицах измеряе­

мой величины,

где X и Х 0 — измеренное и действительное значения измеряемой величины;

относительные погрешности ух , выраженные в долях или в про­ центах от действительного значения,

Значения X и Х„ близки друг к другу.

Относительная погрешность характеризует качество измерения. Погрешности считаются положительными, если результат изме­

рения превышает действительное значение.

Точность измерения количественно может быть выражена зна­ чением, обратным модулю относительной погрешности: р. = = | ДХ/Х0 |-1. Если погрешность измерений равна 10-5, то точность равна 10б.

В з а в и с и м о с т и о т и с т о ч н и к а в о з н и к н о в е ­ н и я погрешности делят на погрешности методические, инструмен­ тальные, субъективные, внешние.

Методические погрешности могут возникать из-за недостаточ­ ной разработанности теории явлений, положенных в основу метода измерения, и неточности соотношений, используемых для нахож­ дения оценки измеряемой величины. К методическим погрешностям относят погрешности воздействия на объект измерения измеритель­