МДК 01.02 Основы технической эксплуатации и обслуживания электрического и электромеханического оборудования (курс лекций)

Тема 1 . Измерительная техника Тема 2. автоматика Лекции – 50 Лабораторные работы – 8 Практические работы – 2 Контрольная работа – 1 Самостоятельная работа – 28 часов МДК 01.02 Основы технической эксплуатации и обслуживания электрического и электромеханического оборудования

1. Виды физических величин и единиц Для того чтобы дать меру физической величине, мы устанавливаем единицу. Единица определенной физической величины представляет собой значение данной величины, которое по определению считается равным единице. Операция, с помощью которой мы узнаем числовое значение той или иной величины для определенного объекта, представляет собой измерение этой величины.

Благодаря этой рекламе сайт может продолжать свое существование, спасибо за просмотр.

1. Виды физических величин и единиц Чтобы измерение физической величины имело однозначный характер, следует обеспечить следующее: отношение двух однородных (одноименных) величин не должно зависеть от того, с помощью какой единицы они измерены. Подавляющее большинство физических величин удовлетворяет этому условию, которое обычно называют условием абсолютного значения относительного количества.

1. Виды физических величин и единиц Основные величины выбираются из условия независимости между собой и с учетом возможности установить с их помощью связи с другими физическими величинами. Эти связи устанавливаются с помощью известных закономерностей между основными и производными от них величинами. Таким образом, из нескольких условно выбираемых так называемых основных единиц строятся производные единицы.

1. Виды физических величин и единиц

1. Виды физических величин и единиц 2) уравнения связи между числовыми значениями используется для установления единиц измерений. Входящие в уравнение Х=f(X1,X2,…,Xm) величины можно представить в соответствии с основным уравнением измерений в виде Х= q[X], X1= q1[X1], Х2 = q2[X2], Xm = qm[Xm], где q, q1,q2, ..., qm — числовые значения, а [Χ], [Χι], [Х2], [Хm] — единицы величин.

2. Системы единиц физических величин Совокупность основных и производных единиц, относящихся к некоторой системе величин, построенная в соответствии с принятыми принципами, образует систему единиц. Исторически первой системой единиц физических величин была принятая в 1791 г. Национальным собранием Франции метрическая система мер. включала в себя единицы длин, площадей, объемов, вместимостей и веса, в основу которых были положены две единицы: метр и килограмм.

2. Системы единиц физических величин В 1832 г. немецкий математик К.Гаусс предложил методику построения системы единиц как совокупности основных и производных. Он построил систему единиц, в которой за основу были приняты три независимые друг от друга единицы длины, массы и времени. Все остальные единицы можно было определить с помощью этих трех единиц. Такую систему единиц, связанных определенным образом с тремя основными единицами длины, массы и времени, К. Гаусс назвал абсолютной системой. За основные единицы он принял миллиметр, миллиграмм и секунду. В дальнейшем с развитием науки и техники появился ряд систем единиц физических величин, построенных по принципу, предложенному К. Гауссом, базирующихся на метрической системе мер, но отличающихся друг от друга основными единицами.

2.1. Система СГС Система единиц физических величин СГС, в которой основными единицами являются сантиметр как единица длины, грамм как единица массы и секунда как единица времени, была установлена в 1881 г. I Международным конгрессом электриков. Конгресс установил систему СГС по принципам, предложенным Гауссом, и ввел наименование для двух важнейших производных единиц: дина — для единицы силы эрг — для единицы работы Для измерения мощности в системе СГС применяется эрг в секунду, для измерения кинетической вязкости— стокc, динамической вязкости — пуаз.

2.1. Система СГС В области механических измерений система СГС опирается на три основные единицы, из которых остальные образуются как производные. К настоящему времени существует семь видов системы СГС для электрических и магнитных величин, из которых наиболее распространены следующие три.

2.1. Система СГС 1. Система СГСЭ, построенная на трех основных единицах — сантиметре, грамме, секунде, диэлектрическая проницаемость вакуума принята равной безразмерной единице. Эта система называется также абсолютной электростатической системой единиц. 2. Система СГСМ, основные единицы которой такие же — сантиметр, грамм, секунда, а магнитная проницаемость вакуума принята равной безразмерной единице. Эта система называется также абсолютной электромагнитной системой единиц. 3. Система СГС, называемая также симметричной системой, или системой Гаусса. В ней электрические единицы совпадают с электрическими единицами СГСЭ, а магнитные — с магнитными единицами СГСМ.

2.2. Система МКГСС Применение килограмма в качестве единицы веса, а в последующем как единицы силы привело в конце XIX в. к формированию системы единиц физических величин с тремя основными единицами: метр — единица длины, килограмм-сила — единица силы и секунда — единица времени. Килограмм-сила (кгс) — это сила, которая сообщает массе, равной массе международного прототипа килограмма, ускорение 9,80665 м/с2 (нормальное ускорение свободного падения). Эта система единиц широко распространилась в механике и в технике, получив неофициальное наименование «техническая».

2.2. Система МКГСС За единицу массы в системе МКГСС принята масса тела, получающего ускорение 1 м/с2 под действием приложенной силы 1 кгс. Эта единица (килограмм-сила-секунда в квадрате на метр) иногда называется технической единицей массы (т.е.м.) или инертной, хотя оба эти наименования не установлены ни в одной из рекомендаций на единицы физических величин. Единица массы МКГСС — кгс · с2/м » 9,81 кг — единицы массы СИ. Широко применялись в технике единицы работы и энергии МКГСС — килограмм-сила-метр (кгс · м) и единица мощности — килограмм-сила-метр в секунду (кгс · м/с).

2.3. Система МТС В системе единиц МТС основными единицами являются: единица длины — метр, единица массы — тонна и единица времени — секунда. Эта система единиц впервые была установлена в 1919 г. во Франции, где была принята в законоположении о единицах измерений. В 1927—1933 гг. система МТС была рекомендована советскими стандартами на механические единицы. Выбор тонны в качестве основной единицы массы казался удачным, так как достигалось соответствие между единицами длины и объема, с одной стороны, и единицей массы, с другой (с точностью, достаточной для большинства технических расчетов, 1 т соответствует массе 1 м

3 воды). Кроме того, единица работы и энергии в этой системе (килоджоуль) и единица мощности (киловатт) совпадали с соответствующими кратными практическими электрическими единицами. В системе МТС единицей силы служит стен (сн), равный силе, сообщающей массе 1 т ускорение 1 м/с

2, единицей давления — пьеза (1 сн/м

2).

2.4. Абсолютная практическая система электрических единиц Эта система была установлена в 1881 г. I Международным конгрессом электриков в качестве производной от системы С ГС Μ и предназначалась для практических измерений в связи с тем, что электрические и магнитные единицы системы С ГС оказались неудобными для практики (одни были слишком велики, другие слишком малы). В числе первых практических электрических единиц были приняты: • практическая единица электрического сопротивления, равная 10

9 единицам сопротивления С ГСМ, которая получила впоследствии наименование ом, • практическая единица электродвижущей силы, равная 10

8 единицам электродвижущей силы СГСМ, названная вольтом, • практическая единица силы электрического тока — ампер, равная 10

(-1) электромагнитным единицам силы тока СГСМ, • практическая единица электрической емкости, равная 10

(-9) единицам электрической емкости СГСМ, названная фарадом.

2.4. Абсолютная практическая система электрических единиц II Международный конгресс электриков в 1889 г. включил в список практических электрических единиц еще три: • джоуль как единицу энергии, равную 10

7 единицам энергии СГСМ, • ватт, равный 10

7 единицам мощности СГСМ, • квадрант (впоследствии это наименование заменено на генри) как единицу индуктивности, равную 10

9 единицам индуктивности СГСМ. В дальнейшем решениями Международной электротехнической комиссии и генеральных конференций по мерам и весам были установлены другие практические электрические и магнитные единицы (вебер, сименс, тесла и др.). В 1893 г. в Чикаго III Международный конгресс электриков принял международные электрические единицы, отличавшиеся от единиц абсолютной практической системы электрических единиц тем, что они базировались не на теоретическом определении единиц, а на их эталонах.

2.4. Абсолютная практическая система электрических единиц Конгресс установил три основные международные электрические единицы: • международной ом, для определения которого использовали ртутный эталон, • международный ампер, определяемый с помощью серебряного вольтметра, • международный вольт, определяемый по элементу Кларка. Остальные электрические единицы (международный кулон, международный фарад и др.) были определены как производные от них. Завершением работы по установлению международных электрических единиц и четкому разграничению абсолютных практических единиц и международных явились решения Международной Лондонской конференции электриков в 1908 г. В качестве единиц, которые с достаточным приближением при практических измерениях и для законодательных целей воспроизводят электрические единицы, конференция рекомендовала принять международный ом, международный ампер, международный вольт и международный ватт.

2.5. Система МКСА Основы этой системы были предположены в 1901 г. итальянским ученым Джорджи (поэтому система имеет и второе наименование, принятое в 1958 г. Международной электротехнической комиссией, — «система Джорджи», но не получившая, однако, распространения). Основными единицами системы МКСА являются метр, килограмм, секунда и ампер. В системе МКСА сила измеряется в ньютонах, работа и энергия — в джоулях, мощность — в ваттах. В системе МКСА механические единицы полностью согласованы с единицами абсолютной практической системы электрических и магнитных единиц — ампером, вольтом, омом, кулоном и др. Система МКСА является частью Международной системы единиц (СИ).

2.6. Внесистемные единицы Несмотря на определенные преимущества, которые дает применение единиц, определяемых той или иной системой, до настоящего времени широко распространены различные единицы, не укладывающиеся ни в одну из систем. Число так называемых внесистемных единиц довольно велико, и от многих из них нельзя отказаться ввиду удобства их применения в определенных областях, остальные сохранились в силу исторических традиций. Так, исторически возникла единица давления — атмосфера, равная давлению, производимому силой 1 кгс на площадь 1 см

2, так как атмосфера близка по размеру к среднему давлению атмосферного воздуха на уровне моря.

2.6. Внесистемные единицы К числу важнейших внесистемных единиц, имеющих широкое применение, относятся единицы длины — ангстрем, световой год, парсек, площади — ар, гектар, объема — литр, массы — карат, давления — атмосфера, бар, миллиметр ртутного столба, миллиметр водяного столба, количества теплоты — калория, электрической энергии — электрон-вольт, киловатт-час, акустических величин - децибел, октава, ионизирующих излучений — рентген, рад, кюри.

2.6. Внесистемные единицы Следующую группу внесистемных единиц образуют единицы, построенные из основных единиц системы не по десятичному принципу. К ним в первую очередь относятся такие распространенные единицы времени, как минута и час. Наконец, последнюю группу образуют единицы, не связанные с какой-либо системой. Сюда входят все устаревшие национальные единицы, такие как старые русские, английские и т.д.

2.7. Относительные и логарифмические величины и единицы В науке и технике широкое распространение получили относительные и логарифмические величины и их единицы, которые характеризуют состав и свойства материалов, отношения энергетических и силовых величин, например относительное удлинение, относительная плотность, относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости, усиление и ослабление мощностей и т.п. Относительная величина представляет собой безразмерное отношение физической величины к одноименной физической величине, принимаемой за исходную. В число относительных величин входят и относительные атомные или молекулярные массы химических элементов, выражаемые по отношению к одной двенадцатой (1/12) массы атома углерода. Относительные величины могут выражаться в безразмерных единицах (когда отношение двух одноименных величин равно единице), в процентах (когда отношение равно 10

(-2), промилле (отношение равно 10

(-3) или в миллионных долях (отношение равно 10

(-6).

2.7. Относительные и логарифмические величины и единицы Логарифмическая величина представляет собой логарифм (десятичный, натуральный или при основании 2) безразмерного отношения двух одноименных физических величин. Логарифмические величины применяются для выражения уровня звукового давления, усиления, ослабления, выражения частотного интервала и т. п. Единицей логарифмической величины является бел (Б), определяемый соотношением 1 Б = lgР2/Р1 при Р2 = 10P1 (где Р2иР1 — одноименные энергетические величины мощности, энергии, плотности энергии и т.п.). Дольной единицей от бела является децибел (дБ), равный 0,1 Б. Так, в случае характеристики усиления электрических мощностей при отношении полученной мощности Р2 к исходной Р1 равной 10, логарифмическая величина усиления будет составлять 1 бел, или 10 дБ, при увеличении или уменьшении мощности в 1000 раз логарифмическая величина усиления составит 3 Б, или 30 дБ, и т.д.

3. Международная система единиц физических величин В 1954 г. X Генеральная конференция по мерам и весам установила шесть основных единиц для международных отношений: метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина, свеча. В 1960 г. XI Генеральная конференция по мерам и весам утвердила Международную систему единиц, обозначаемую сокращенно SI (начальные буквы французского наименования Systeme International), в русской транскрипции — СИ. В результате некоторых видоизменений, принятых Генеральными конференциями по мерам и весам в 1967, 1971, 1979 гг., в настоящее время система включает в себя семь основных единиц (табл).

3. Международная система единиц физических величин Наименование Единица измерений Международноеобозначение Русское обозначение Длина Метр m м Масса Килограмм kg кг Время Секунда S С Сила электрического тока Ампер А А Термодинамическая температура Кельвин К К Количество теплоты Моль mol моль Сила тока Кандела kd кд

3. Международная система единиц физических величин Преимущества СИ перед другими системами единиц следующие: 1) СИ является универсальной, охватывая все области науки, техники, производства, 2) она построена для некоторой системы величин, позволяющих представить явления в форме математических уравнений, некоторые из физических величин приняты основными, и через них выражены все остальные производные физические величины.

3. Международная система единиц физических величин 3) построенная таким образом система единиц и входящие в нее единицы называются когерентными (связанными, согласованными). Коэффициенты пропорциональности вфизических уравнениях, определяющих единицы производных величин, равны безразмерной единице, 4) в СИ устранена множественность единил (унификация единиц для всех видов измерений) для выражения величин одного и того же ряда. Например, вместо большого числа единиц давления, применявшихся на практике, единицей давления в СИ принята только одна единица — паскаль. 5) установление для каждой физической величины своей единицы позволило разграничить понятие массы (кг) и веса (Н). 6) определение основных единиц СИ возможно с высокой степенью точности.

4. Определение содержания основных единиц СИ Дополнительные единицы СИ. Дополнительные единицы имеют специфическое применение и необходимы для образования производных единиц, связанных с угловыми величинами. Поэтому эти единицы не могут быть отнесены ни к основным, ни к производным, так как они не зависят от выбора основных единиц (за исключением единицы силы света). Международная система единиц включает в себя две дополнительные единицы для измерения плоского и телесного углов.

4. Определение содержания основных единиц СИ Производные единицы СИ Сила – ньютон (Н, N) Давление – паскаль, миллиметр ртутного столбца (Па, мм рт. ст., бар) Работа – джоуль (Дж, J) Энергия - джоуль (Дж, J) Мощность - ватт (Вт, W) , лошадиные силы (л.с.)

4. Определение содержания основных единиц СИ Кратные и дольные единицы. Для удобства применяют единицы физических величин для образования десятичных кратных (больших) единиц и дольных (меньших) единиц

Контрольные вопросы 1. Что такое единица физической величины? 2. Что представляет собой измерение физической величины? 3. Чем отличается основные и производные единицы физических величин? 4. Что представляет собой система единиц физических величин? 5. Чем отличаются системы СГС, МКГСС, МТС, абсолютная практическая система, МКСА? 6. Что такое внесистемные единицы? 7. Каковы преимущества Международной системы единиц СИ? 8. Каково содержание основных единиц СИ? 9. Какие производственные единицы СИ наиболее часто применяются? 10. Что такое дольные, относительные и логарифмические единицы?

5. Классификация средств измерений Средством измерений называется техническое средство (или их комплекс), используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики. По конструктивному исполнению средства измерений подразделяются на меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, измерительные системы (комплексы)

5. Классификация средств измерений

5. Классификация средств измерений Меры физической величины — средства измерений, предназначенные для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров. Различают меры: однозначные (гиря 1 кг, калибр, конденсатор постоянной емкости), многозначные (масштабная линейка, конденсатор переменной емкости), наборы мер (набор гирь, набор калибров). Набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях, называется магазином мер. Примером такого набора может быть магазин электрических сопротивлений, магазин индуктивностей. Сравнение с мерой выполняется с помощью специальных технических средств — компараторов (рычажные весы, измерительный мост и т.д.).

5. Классификация средств измерений Измерительные приборы — средства измерений, предназначенные для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Прибор, как правило, содержит устройство для преобразования измеряемой величины и ее индикации в форме, наиболее доступной для восприятия. Во многих случаях устройство для индикации имеет шкалу со стрелкой, диаграмму с пером или цифроуказатель, с помощью которых могут быть произведены отсчет или регистрация значений физической величины. В случае сопряжения прибора с мини-ЭВМ отсчет может производиться с помощью дисплея.

5. Классификация средств измерений По виду индикации значений измеряемой величины измерительные приборы подразделяются на показывающие и регистрирующие. Показывающий прибор допускает только отсчитывание показаний измеряемой величины (микрометр, аналоговый или цифровой вольтметр). В регистрирующем приборе предусмотрена регистрация показаний в форме диаграммы путем печатания показаний (термограф, разрывная машина с пишущим элементом, измерительный прибор, сопряженный с ЭВМ, дисплеем и устройством для печатания показаний).

5. Классификация средств измерений Измерительные преобразователи — средства измерений, служащие для преобразования измеряемой величины в другую величину или сигнал измерительной информации, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований. По характеру преобразования различают аналоговые (АП), цифроаналоговые (ЦАП), аналого-цифровые (АЦП) преобразователи. По месту в измерительной цепи различают первичные ИП, на которые непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, и промежуточные ИП, занимающие место в измерительной цепи после первичных ИП). Конструктивно обособленный первичный ИП, от которого поступают сигналы измерительной информации, называется датчиком.

5. Классификация средств измерений Измерительная система — совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта в целях измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту. Примером может служить радионавигационная система для определения местоположения судов, состоящая из ряда измерительных комплексов, разнесенных в пространстве на значительном расстоянии друг от друга.

5. Классификация средств измерений «Лицо» современной измерительной техники определяется автоматизированными измерительными системами (АИС), информационно-измерительными системами (ИИС), измерительно- вычислительными комплексами (ИВК). Типичная ИИС содержит в своем составе ЭВМ и обеспечивает сбор, обработку и хранение информации, поступающей от многочисленных датчиков, характеризующих состояние объекта или процесса. При этом результаты измерений выдаются как по заранее заданной программе, так и по запросу.

5. Классификация средств измерений Измерительная установка — совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенных для измерений одной или нескольких физических величин и расположенных в одном месте. Примером являются установка для измерения удельного сопротивления электротехнических материалов, установка для испытаний магнитных материалов. Измерительную установку, предназначенную для испытаний каких-либо изделий, иногда называют испытательным стендом.

5. Классификация средств измерений По метрологическому назначению все средства измерений подразделяются на два вида: рабочие средства измерений и эталоны. Рабочие средства измерений предназначены для проведения технических измерений. По условиям применения они могут быть: • лабораторными, используемыми при научных исследованиях, проектировании технических устройств, медицинских измерениях, • производственными, используемыми для контроля характеристик технологических процессов, контроля качества готовой продукции, контроля отпуска товаров, • полевыми, используемыми непосредственно при эксплуатации таких технических устройств, как самолеты, автомобили, речные и морские суда и др.

5. Классификация средств измерений Эталоны являются высокоточными средствами измерений, поэтому используются для проведения метрологических измерений в качестве средств передачи информации о размере единицы. Размер единицы передается «сверху вниз», от более точных средств измерений к менее точным «по цепочке»: первичный эталон — вторичный эталон — рабочий эталон 0-го разряда — рабочий эталон 1-го разряда — ... — рабочее средство измерений. Передача размера осуществляется в процессе поверки средств измерений. Целью поверки является установление пригодности средств измерений к применению. Соподчинение средств измерений, участвующих в передаче размера единицы от эталона к рабочему средству, устанавливается в поверочных схемах средств измерений.

6. Государственная система обеспечения единства измерений Важнейшей формой обеспечения единства измерений со стороны государства является Государственный метрологический контроль и надзор (ГМКиН). Нормативной базой обеспечения единства измерений является законодательная метрология, а технической базой служит рассмотренная система воспроизведения единиц физических величин и передачи информации об их размерах всем без исключения средствам измерений в стране

6. Государственная система обеспечения единства измерений

6. Государственная система обеспечения единства измерений Совокупность операций, выполняемых в целях определения и поддержания действительных значений метрологических характеристик и (или) пригодности к применению средства измерений, не подлежащего государственному метрологическому контролю и надзору, называется калибровкой.

Контрольные вопросы 1. Приведите классификацию средств измерения. 2. Что такое мера физической величины? 3. Чем отличаются измерительные приборы от измерительных преобразователей? 4. Дайте определение терминов «измерительная система» и «измерительная установка». 5. Что представляют собой рабочие средства измерения? 6. Что такое эталон физической величины? 7. Как построена Государственная система обеспечения единства измерений? 8. Как производится калибровка средств измерения?

7. Метрологические характеристики Meтрологические характеристики — это характеристики свойств средства измерений, оказывающие влияние на результат измерения и его погрешности. Характеристики, устанавливаемые нормативно- техническими документами, называются нормируемыми, а определяемые экспериментально — действительными.

7. Метрологические характеристики (МХ) Метрологические характеристики средств измерений позволяют: • определять результаты измерений и рассчитывать оценки характеристик инструментальной составляющей погрешности измерения в реальных условиях применения средств измерений, • рассчитывать MX каналов измерительных систем, состоящих из ряда средств измерений с известными MX, • производить оптимальный выбор средств измерений, обеспечивающих требуемое качество измерений при известных условиях их применения, • сравнивать средства измерений различных типов с учетом условий применения.

7. Метрологические характеристики

8. Погрешности измерений Под систематической погрешностью понимают постоянную или закономерно изменяющуюся детерминированную (неслучайную) величину. Если же из физических соображений ясно, что некоторая составляющая погрешности постоянна или закономерно изменяется, т. е. по определению является систематической, но ее значение неизвестно, а известны лишь пределы, в которых она может находиться, то учитывать эту погрешность можно лишь как случайную величину, каким-то образом распределенную в заданных пределах.

8. Погрешности измерений Под случайной составляющей погрешности понимается случайная составляющая погрешности средства измерений, обусловленная отличием показаний данного экземпляра измерительного прибора от информативного параметра входного сигнала при различных скорости и направлении его изменения.

8. Погрешности измерений Любое отличие частотного спектра входного сигнала от принятого вызывает динамическую погрешность. Выделение этих погрешностей практически целесообразно тогда, когда изменение частного спектра входного сигнала средств измерений приводит к существенному изменению точности. Это означает, что для одного и того же средства измерений при каком-либо одном частотном спектре входного сигнала нужно учитывать динамическую погрешность, а при другом в этом нет необходимости.

8. Погрешности измерений Решение вопроса о том, учитывать погрешность как статическую или как динамическую, зависит не только от частотного спектра входного сигнала. Важным фактором является также соотношение между отличием частотного спектра от нормального и инерционностью средства измерений. Именно это соотношение определяет уровень динамической погрешности по отношению к статической. Для описания динамических погрешностей используются следующие характеристики.

8. Погрешности измерений 1. Полная динамическая характеристика аналоговых средств измерений, в качестве которой используют одну из характеристик: переходную, импульсную переходную, амплитудно-фазовую, амплитудно-частотную, совокупность амплитудно-частотной и фазово-частотной, передаточную функцию. Полную динамическую характеристику нормируют путем установления номинальной и пределов допускаемых отклонений от нее. Нормировать следует такую характеристику, которая может быть относительно просто определена экспериментально.

8. Погрешности измерений 2. Частотные динамические характеристики аналоговых средств измерений, которые можно использовать как линейные. К ним относятся время реакции, коэффициент демпфирования, постоянная времени и т.д. 3. Частотные динамические характеристики АЦП и цифровых измерительных приборов, время реакции которых не превышает интервала между двумя измерениями, соответствующего максимальной частоте (скорости) измерений. К ним относятся время реакции, погрешность датирования отсчета, максимальная частота измерений и др.

8. Погрешности измерений 4. Динамические характеристики аналого-цифровых средств измерений, время реакции которых больше интервала между двумя измерениями, соответствующего максимально возможной для данного типа средств измерений частоте (скорости) измерений. К ним относятся полные динамические характеристики эквивалентной аналоговой части аналого-цифровых средств измерений, погрешность датирования отсчета, максимальная частота (скорость) измерений и др.

8. Погрешности измерений Под временем реакции понимается: • для показывающего измерительного прибора — время установления показаний, • для ЦАП и многозначной управляемой меры — время, прошедшее с момента подачи управляющего сигнала до момента, начиная с которого выходной сигнал преобразователя или меры отличается от установившегося значения не более чем на заданное значение, • для АЦП и цифрового измерительного прибора — время, прошедшее с момента скачкообразного изменения измеряемой величины в сторону возрастания и одновременной подачи сигнала запуска до момента, начиная с которого показания цифрового прибора или выходной код АЦП отличаются от установившегося показания или значения выходного кода на величину, не превышающую заданное значение. Для ЦАП и многозначных мер может нормироваться переходная характеристика или время реакции, поскольку при использовании таких средств измерении обычно необходимо знать, через какое время после подачи сигнала управления можно считывать установившееся значение выходной величины.

8. Погрешности измерений Класс точности — это обобщенная характеристика средства измерений, выражаемая пределами допускаемых значений его основной и дополнительной погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность. Класс точности не является непосредственной оценкой точности измерений, выполняемых этим средством измерений, поскольку погрешность зависит еще от ряда факторов: метода измерений, условий измерений и т.д. Класс точности лишь позволяет судить о том, в каких пределах находится погрешность средства измерений данного типа.

9. Метрологическая надежность средств измерений В процессе эксплуатации метрологические характеристики и параметры средств измерений претерпевают изменения. Эти изменения носят случайный монотонный или флуктуирующий характер и приводят к отказам, т.е. к невозможности средств измерений выполнять свои функции. Отказы подразделяются на неметрологические и метрологические.

9. Метрологическая надежность средств измерений Неметрологическим называется отказ, обусловленный причинами, не связанными с изменением MX средства измерений. Они носят главным образом явный характер, проявляются внезапно и могут быть обнаружены без проведения поверки. Метрологическим называется отказ, вызванный выходом MX из установленных допустимых границ. Метрологические отказы подразделяются на внезапные и постепенные.

9. Метрологическая надежность средств измерений Внезапным называется отказ, характеризующийся скачкообразным изменением одной или нескольких MX. Эти отказы в силу их случайности невозможно прогнозировать. Их последствия (сбой показаний, потеря чувствительности и т.п.) легко обнаруживаются в ходе эксплуатации прибора, т.е. по характеру проявления они являются явными. Особенность внезапных отказов — постоянство во времени их интенсивности. Это дает возможность применять для анализа этих отказов классическую теорию надежности. В связи с этим в дальнейшем отказы такого рода не рассматриваются.

9. Метрологическая надежность средств измерений Постепенным называется отказ, характеризующийся монотонным изменением одной или нескольких MX. По характеру проявления постепенные отказы являются скрытыми и могут быть выявлены только по результатам периодического контроля средств измерений. В дальнейшем рассматриваются именно такие отказы. С понятием «метрологический отказ» тесно связано понятие «метрологической исправности» средства измерений. Под ней понимается состояние средства измерений, при котором все нормируемые MX соответствуют установленным требованиям. Способность средств измерений сохранять его метрологическую исправность в течение заданного времени при определенных режимах и условиях эксплуатации называется метрологической надежностью.

9. Метрологическая надежность средств измерений Надежность средств измерений характеризует их поведение с течением времени и является обобщенным понятием, включающим в себя стабильность, безотказность, долговечность, ремонтопригодность (для восстанавливаемых средств измерений) и сохраняемость. Стабильность средства измерений является качественной характеристикой, отражающей неизменность во времени его MX. Безотказностью называется свойство средства измерений непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени.

9. Метрологическая надежность средств измерений Долговечностью называется свойство средства измерений сохранять свое работоспособное состояние до наступления предельного состояния. Работоспособное состояние — это такое состояние средства измерений, при котором все его MX соответствуют нормированным значениям. Предельным называется состояние средства измерений, при котором его применение недопустимо.

9. Метрологическая надежность средств измерений Ремонтопригодность — свойство средства измерений, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, восстановлению и поддержанию его работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта. Оно характеризуется затратами времени и средств на восстановление средства измерений после метрологического отказа и на поддержание его в работоспособном состоянии. Процесс изменения MX идет непрерывно и независимо от того, используется ли средство измерений или оно хранится на складе. Свойство средства измерений сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и транспортирования называется его сохраняемостью.

9. Метрологическая надежность средств измерений Одной из основных форм поддержания средства измерений в метрологически исправном состоянии является его периодическая поверка. Она проводится метрологическими службами согласно правилам, изложенным в специальной нормативно-технической документации. Периодичность поверки должна быть согласована с требованиями к надежности средства измерений. Поверку необходимо проводить через оптимально выбранные интервалы времени, называемые межповерочными интервалами (МПИ).

9. Метрологическая надежность средств измерений Момент наступления метрологического отказа может выявить только поверка средства измерений, результаты которой позволят утверждать, что отказ произошел в период времени между двумя последними поверками. Величина МПИ должна быть оптимальной, поскольку частые поверки приводят к материальным и трудовым затратам на их организацию и проведение, а редкие поверки могут привести к повышению погрешности измерений из-за метрологических отказов.

9. Метрологическая надежность средств измерений Вопросу обоснованного выбора продолжительности МПИ посвящено большое число работ. В настоящее время существуют три основных пути их определения: • на основе статистики отказов, • на основе экономического критерия, • произвольное назначение первоначального МПИ с последующей корректировкой в течение всего срока службы средства измерений.

Контрольные вопросы 1. Что такое отказ? Чем отличается метрологический отказ от неметрологического? 2. Сформулируйте определение метрологической исправности средств измерений. 3. Что такое метрологическая надежность средств измерений? 4. Сформулируйте определение стабильности, безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости средств измерений. 5. Чем вызвано изменение во времени метрологических характеристик средств измерений? 6. Назовите основные показатели безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости средств измерений. 7. Что называется межповерочным интервалом? 8. Какие способы выбора межповерочных интервалов существуют?

10. Классификация автоматизированных средств измерений К автоматизированным средствам измерений относят автономные непрограммируемые приборы и гибкие измерительные системы (ГИС). Автономные приборы работают по жесткой программе и предназначены для измерений определенных параметров сигналов или цепей. Как правило, это цифровые приборы, например вольтметры, в которых часть операций, таких, как определение полярности измеряемого постоянного напряжения или переключение диапазонов, осуществляется автоматически.

10. Классификация автоматизированных средств измерений Основная особенность ГИС – возможность программным способом перестраивать систему для измерений различных физических величин и менять режим измерений. Никаких изменений в аппаратной части при этом не требуется. Различают ГИС с интерфейсом, микропроцессорные и компьютерно-измерительные.

10. Классификация автоматизированных средств измерений Основной способ создания мощных многофункциональных ГИС – объединение с помощью специальной многопроводной магистрали в одну систему ЭВМ, измерительных приборов и устройств отображения информации. Такие системы называют измерительно-вычислительными комплексами (ИВК). Устройство сопряжения ЭВМ со средствами измерений называют приборным интерфейсом или просто интерфейсом. Иногда в это понятие вкладывают и программное обеспечение системы.

10. Классификация автоматизированных средств измерений В микропроцессорных приборах все элементы подключают к магистрали микропроцессора, отдельной магистрали нет. Встроенные микропроцессоры обычно реализуют сервисные операции (выбор диапазона измерений), обеспечивают различные режимы измерений и вычисляют некоторые параметры сигнала. В приборах рассматриваемого типа не предусматривается программирование микропроцессора в процессе эксплуатации. Необходимые программы обработки хранятся в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), по мере надобности их вызывает оператор с помощью клавиатуры.

10. Классификация автоматизированных средств измерений В наиболее совершенных микропроцессорных средствах измерений наметилась тенденция создания возможности составления оператором программ в дополнение хранящимся в ПЗУ программам. Наиболее ярко эта тенденция проявилась в новом поколении средств измерений – КИС. Эти системы объединяют средства измерений, вычислений и управления на собственной шине микроЭВМ. Все функциональные элементы КИС удается разместить на одной или двух платах, встраиваемых в ЭВМ. С развитием средств вычислительной техники возможности КИС приближаются к возможностям ИВК, но превосходят последние по уровню интеграции и гибкости.

10. Классификация автоматизированных средств измерений Как правило, ИВК строят по принципу агрегатирования, согласно которому системы создают из стандартных устройств – модулей, конструктивно законченных и выпускаемых серийно. При такой структуре система способна к быстрой перестройке в соответствии с изменившейся задачей. Для этого достаточно заменить часть модулей и изменить программное обеспечение. Такая система легко модернизируется, а ее разработка не требует большого времени. Объединение устройств в единую систему возможно при выполнении условия их совместимости. Различают информационную, энергетическую и конструктивную совместимости.

10. Классификация автоматизированных средств измерений Важнейшей является информационная совместимость. Она заключается в согласовании параметров сигнала устройств по видам, информативным параметрам и уровням. Информационная совместимость позволяет отдельным модулям обмениваться информацией в соответствии с заданным алгоритмом, а также различными служебными сигналами, например адресами и командами. Информационная совместимость необходима для реализации любого интерфейса.

10. Классификация автоматизированных средств измерений Энергетическая совместимость заключается в согласовании напряжений и токов, питающих модули, и линий их передачи. Конструктивная совместимость заключается в конструктивном согласовании модулей, позволяющем использовать их совместно. Требования энергетической и конструктивной совместимости в разных интерфейсах существенно различаются. В зависимости от задач ИВК, номенклатуры используемых средств измерений и их характеристик можно построить интерфейсы различной сложности с различными структурами. Создание интерфейсов для каждой задачи или групп задач экономически невыгодно, поэтому разработаны стандартные интерфейсы. В нашей стране принято несколько интерфейсов, в качестве примера интерфейс МЭК 625.1.

10. Классификация автоматизированных средств измерений Эти интерфейсы относятся к числу магистральных, в которых все устройства подключены к общей магистрали. По отношению к магистрали модули могут быть источником информации или ее приемником. Источник предназначен только для передачи информации. В каждый момент в системе может быть только один источник. Приемник служит для приема информации, их может быть несколько. Каждое устройство (источник или приемник) имеет свой адрес, по которому осуществляется его вызов для обмена информацией. Адресацию устройств и управление их работой выполняет контроллер. Функции контроллера часто выполняет ЭВМ с интерфейсом.

10. Классификация автоматизированных средств измерений Один и тот же прибор в системе может поочередно выполнять различные функции. Например, вольтметр на котором перед измерениями устанавливают нужный диапазон измерений, в это время является приемником. В ходе передачи результатов измерений вольтметр функционирует как источник информации. Передача сообщений в интерфейсе может происходить синхронно или асинхронно. При синхронном методе ритм обмена информацией задается синхроимпульсами подобно тому, как это делается в микропроцессорах. Этот способ позволяет получить высокую скорость обмена, если все устройства характеризуются приблизительно равным и достаточно высоким быстродействием. Если же быстродействие устройств сильно различается, то предпочтителен асинхронный метод, при котором обязательным условием обмена является получение каждым из участвующих в обмене устройств подтверждения о готовности других устройств принимать или передавать информацию. Скорость обмена в этом случае определяется наименее быстродействующим устройством.

11. Микропроцессорные средства измерений Микропроцессорная система может выполнять сервисные и вычислительные функции, а также самодиагностику прибора в целом. К сервисным функциям относят выбор диапазона измерений, определение полярности входного напряжения, коммутацию входных цепей. В осциллографах автоматически выбирается длительность развертки, осуществляется ее синхронизация, выбор масштаба по оси ординат. К сервисным функциям можно отнести и некоторые операции по коррекции погрешностей: калибровку прибора, коррекцию смешения нулевого уровня в УПТ. Автоматическое выполнение сервисных функций делает прибор более удобным и избавляет оператора от некоторых рутинных операций по настройке прибора.

11. Микропроцессорные средства измерений Вычислительные функции заключаются в статистической обработке результатов измерений: определении среднего значения и СКО. Существует возможность получения математических функций измеряемой величины: ее умножение и деление на константу, вычитание констант, что удобно при введении поправок, представлении измеряемой величины в логарифмическом масштабе. Заметим, что часть сервисных функций можно реализовать и без микропроцессора на жесткой логике, вычислительные же функции могут быть выполнены только с помощью микропроцессоров. В некоторых микропроцессорных приборах осуществляется самодиагностика, что повышает их метрологическую надежность.

11. Микропроцессорные средства измерений Микропроцессорные приборы позволяют решать программным методом часть задач, решаемых в обычных приборах аппаратными средствами. Например, для измерений амплитудного, средневыпрямленного и среднего квадратического значений напряжения аппаратными методами необходимы соответствующие преобразователи. Эту же задачу можно решить микропроцессорным прибором, преобразовав сначала аналоговый входной сигнал в цифровой с помощью АЦП, а затем по соответствующим программам вычислив требуемые параметры измеряемого сигнала. Возможности прибора можно расширить, нарастив программное обеспечение, например, введя программы для статистической обработки и спектрального анализа. При этом аппаратная часть, содержащая АЦП, не усложняется, а меняется только программное обеспечение.

11. Микропроцессорные средства измерений Поэтому микропроцессорные приборы легче сделать многофункциональными, что позволит сократить парк средств измерений, необходимых для научных и производственных целей. Однако использование микропроцессоров имеет и негативные стороны, в первую очередь сложность аппаратуры и довольно высокая стоимость ее. В перспективе, учитывая быстрое снижение цен на элементы микропроцессорных систем, можно ожидать значительного удешевления микропроцессорных приборов.

11. Микропроцессорные средства измерений В некоторых случаях быстродействия АЦП и микропроцессора оказываются недостаточными для проведения измерений или расчетов в реальном масштабе времени. При этом иногда оказывается целесообразным применить масштабно-временное преобразование исследуемого сигнала, сделав его более медленным. Повышение быстродействия и разрядности выпускаемых промышленностью микропроцессоров расширяет возможности микропроцессорных приборов. При разработке микропроцессорных приборов наиболее трудоемким оказывается программное обеспечение, стоимость которого может значительно превышать стоимость аппаратных средств.

11. Микропроцессорные средства измерений Рассмотрим структурную схему вольтметра, на которой можно условно выделить три структурных элемента: функциональную часть, микропроцессорную систему и интерфейс. Функциональная часть – это цифровой вольтметр, состоящий из входного устройства, аналого-цифрового преобразователя (АЦП), цифрового дисплея (отсчетного устройства), блока образцовых мер и клавиатуры, с помощью которой оператор управляет работой вольтметра. Элементы функциональной части соединены между собой и с микропроцессором с помощью устройства ввода-вывода. Взаимодействие между устройствами ввода-вывода, микропроцессором, оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) и постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) осуществляется по линиям магистрали микропроцессора. Интерфейсный модуль (ИМ) предназначен для сопряжения прибора с магистралью интерфейса, например КОП.

11. Микропроцессорные средства измерений

12. Компьютерно-измерительные системы КИС – представляет собой микроЭВМ со встроенной в нее измерительной платой. В отличие от микропроцессорных приборов в КИС пользователь получает доступ к обширным фондам прикладных программ, может использовать внешнюю память большой емкости и различные устройства документирования результатов измерений. Взаимодействие между отдельными элементами КИС осуществляется с помощью внутренней шины микроЭВМ , к которой подключены как внешние устройства ЭВМ (дисплей, внешняя память, печатающее устройство), так и измерительная схема, состоящая из коммутатора, АЦП и блока образцовых мер напряжения и частоты. С помощью ЦАП можно вырабатывать управляющие аналоговые сигналы, интерфейсный модуль подключает прибор к магистрали приборного интерфейса.

12. Компьютерно-измерительные системы

12. Компьютерно-измерительные системы Измерительные схемы могут быть размещены на одной плате, встраиваемой в микроЭВМ. Существуют и более сложные структуры КИС, в которых в соответствии с решаемой задачей по программе коммутируются необходимые измерительные элементы, т. е. меняется архитектура. Программы работы КИС заранее составляются и отлаживаются, но могут быть использованы программы, составленные оператором для решения конкретных задач. Широкие вычислительные возможности КИС позволяют реализовать программными методами многие способы повышения точности измерений и повышения их эффективности. В качестве встроенных мер напряжения в КИС, как и в большинстве других измерительных приборов, используют стабилитроны.

12. Компьютерно-измерительные системы В КИС появилась возможность учесть температурную нестабильность программными методами. Для этого в блок стабилитронов вводят датчик температуры, например терморезистор, и экспериментально определяют зависимость опорного напряжения от температуры. Эту зависимость записывают в ПЗУ или во внешней памяти. В процессе эксплуатации прибора периодически измеряют температуру стабилитронов и по этой зависимости вводят поправку в значение образцового напряжения. При работе стабилитронов без дополнительного подогрева значительно возрастает их долговременная стабильность.

12. Компьютерно-измерительные системы Подобным же образом измеряют и учитывают нестабильность частоты кварцевого генератора – меры частоты: сигнала с датчика температуры воздействует на варикап, подстраивающий генератор на номинальную частоту. В КИС имеется возможность определять индивидуальные функции влияния температуры на различные параметры прибора: сопротивление переключателей, уход нуля, коэффициенты передачи различных структурных элементов. Непрерывный контроль температуры блоков позволяет корректировать возникающие погрешности.

12. Компьютерно-измерительные системы Большие вычислительные возможности позволяют реализовать в КИС анализ полученной информации в ходе эксперимента и менять алгоритм обработки в зависимости от предварительных данных. Например, если полученная при эксперименте гистограмма, наблюдаемая оператором на дисплее, имеет выпавшие результаты и сглаженную форму, то можно предположить существование выбросов и наличие дрейфа измеряемой величины или погрешности. Для устранения выбросов можно использовать одну из статистических программ. Методом тренда можно сделать вывод о наличии дрейфа, а методом наименьших квадратов получить формулу, описывающую дрейф.

12. Компьютерно-измерительные системы Возможности КИС можно использовать для прогнозирования отказов некоторых элементов аппаратуры. Как известно, отказам некоторых элементов, например стабилитронов, предшествует увеличение шума. Шум возрастает при ухудшении качества контактов и нарушении нормального режима работы кварцевых генераторов. Контроль спектра шума, выполняемого КИС, позволяет обнаружить перечисленные дефекты. По спектральным составляющим на частотах 50 и 100 Гц можно судить о качестве работы блоков питания.

12. Компьютерно-измерительные системы Таким образом, компьютерно-измерительные системы имеют следующие преимущества: практически неограниченные возможности в решении прикладных задач измерений, таких как сбор информации с датчиков в любой последовательности и с желаемой скоростью опроса, управление технологическими процессами и промышленными агрегатами, а также возможность разработки программного обеспечения для конкретных задач измерений, подключение различных устройств и возможность организации документирования результатов измерений в различных табличных формах и графическом оформлении, передачу результатов измерений по локальным и глобальным компьютерным сетям, как это имеет место в сети Internet, и др.

12. Компьютерно-измерительные системы Автоматизация измерений достигается сочетанием средств вычислительной техники и измерительных приборов. Задачу автоматизации решают как построением средств измерений со встроенными микропроцессорами, так и созданием автоматизированных систем научных исследований, включающих средства измерений, сопряженные с ЭВМ. Измерительно-вычислительные комплексы допускают гибкое программирование эксперимента и обработки опытных данных, микропроцессорные средства измерений работают по жестким программам, составленным при разработке устройства. Средства измерений и другие элементы в пределах ИВК сопрягаются стандартными интерфейсами.

Контрольные вопросы 1.Приведите пример структурной схемы микропроцессорного прибора. 2.Что такое компьютерно-измерительные системы?

13. Виртуальные приборы Виртуальные приборы – концепция, в соответствии с которой организуются программно-управляемые системы сбора данных и управления техническими объектами и технологическими процессами. Преимущество технологии виртуальных приборов состоит в возможности программным путем, опираясь на мощь современной компьютерной техники, создавать разнообразные приборы, измерительные системы и программно-аппаратные комплексы. Программу, написанную в среде LabVIEW, принято называть виртуальным прибором (ВП).

13. Виртуальные приборы LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) –это среда разработки и платформа для выполнения программ, созданных на графическом языке программирования фирмы National Instruments (США). LabVIEW – это высокоэффективная среда графического программирования, в которой можно создавать гибкие и масштабируемые приложения измерений, управления и тестирования с минимальными временными и денежными затратами. LabVIEW сочетает в себе:  гибкость традиционного языка программирования с интерактивной технологией виртуальных приборов, которая включает в себя автоматическое создание кода по диаграмме, определяющей логику работы приложения,  использование помощников при конфигурировании измерений, шаблоны приложений и настраиваемые Экспресс ВП.

13. Виртуальные приборы Достоинства LabVIEW:  Полноценный язык программирования графического программирования «G»  Интуитивно понятный процесс графического программирования  Широкие возможности сбора, обработки и анализа данных, управления приборами, генерации отчетов и обмена данных через сетевые интерфейсы  Драйверная поддержка более 2000 приборов  Возможности интерактивной генерации кода  Шаблоны приложений, тысячи примеров  Высокая скорость выполнения откомпилированных программ  Обучение и техническая поддержка мирового уровня  Совместимость с операционными системами Windows2000/NT/XP, Mac OS X, Linux и Solaris.

14. Виртуальные приборы Широта применения. Приложения, написанные в LabVIEW, находят применение в разнообразных отраслях промышленности:  Автомобильная промышленность  Телекоммуникации  Аэрокосмическая промышленность  Полупроводниковая промышленность  Разработка и производство электроники  Управленией технологическими процессами  Биомедицина

14. Виртуальные приборы Существует три основных комплектации пакета LabVIEW: 1. Базовый пакет LabVIEW Base Package представляет собой минимальную комплектацию LabVIEW. Он используется для создания стандартных приложений сбора, анализа и отображения данных, а также управления приборами.