Основные понятия и определения в области метрологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Структурные схемы приборов прямого и уравновешенного преобразования

1.1 Средства измерений прямого преобразования

1.2 Средства измерений уравновешивающего преобразования

2. Время-импульсный цифровой вольтметр

Выводы

Литература

Введение

Проблема качества изделий электронной техники охватывает широкий круг вопросов, при решении которых существенное значение имеют взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения.

Взаимозаменяемость связывает в единое целое конструирование, технологию производства и контроль изделий.

Стандартизация и унификация деталей и элементов конструктивной и схемотехнической базы электронной аппаратуры способствуют ускорению и удешевлению конструирования и производства изделий.

Разработка, изготовление и эксплуатация электронной аппаратуры сопряжено с выполнением большого числа измерений. При этом получаемая измерительная информация может быть использована как в целях собственно измерения (нахождения значений физических величин), так и для выработки соответствующих суждений в процедурах контроля и диагностики и управляющих воздействий в системах управления. Так как измерительная техника является основным средством получения объективной информации о свойствах используемых объектов, то повышение качества продукции находится в прямой зависимости от степени метрологического обеспечения производства и состояния измерительной техники. Совершенствование электронной аппаратуры требует опережающего развития метрологии., поскольку для разработки аппаратуры с улучшенными техническими характеристиками необходимы более точные методы и средства технического контроля.

Цель курса «Основы метрологии, взаимозаменяемости и стандартизации» - дать представление о месте и роли метрологии, взаимозаменяемости и стандартизации в решении задач повышения технического уровня и качества изделий электронной техники; дать основы знаний по теории измерений и теории погрешностей измерений; дать общие сведения о взаимозаменяемости и ее размерной составляющей, о размерах и допусках на размер, о различных характерах соединений деталей и способах их обеспечения; дать основные понятия в области стандартизации, ее нормативных документах, о стандартизации в различных сферах деятельности человека.

Цель контрольной работы - изучить основные понятия и определения в области метрологии, основные вопросы теории измерений, теорию погрешностей измерений.

1. Структурные схемы приборов прямого и уравновешенного преобразования

1.1 Средства измерений прямого преобразования

Структурная схема средства измерений прямого преобразования показана на рис. 1.1, где П₁, П ₂,…. П_n - звенья; х₁, x₂,…, х_п - информативные параметры сигналов. В дальнейшем при математическом анализе информативные параметры будут именоваться сигналами или величинами.

Рис. 1.1 Структурная схема средства измерений прямого преобразования

Как видно из рис. 1.1, входной сигнал х последовательно претерпевает несколько преобразований и в конечном итоге на выходе получается сигнал х_п.

Для измерительного прибора сигнал х_п получается в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем, например в виде отклонения указателя отсчетного устройства. Для измерительного преобразователя сигнал х» получается в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения.

Примером электроизмерительного прибора, имеющего структурную схему прямого преобразования, может быть амперметр для измерения больших постоянных токов. В этом приборе измеряемый ток вначале с помощью шунта преобразуется в падение напряжения на шунте, затем в малый ток, который измеряется измерительным механизмом, т.е. преобразуется в отклонение указателя.

Чувствительность (коэффициент преобразования) средства измерений, имеющего структурную схему прямого преобразования,

S= =….=k₁, k₂….k_n (1.1)

Где

k₁ =; k₂ =;…….; k_n =

- коэффициенты преобразования отдельных звеньев. При нелинейной функции преобразования чувствительность и коэффициенты преобразования зависят от входного сигнала.

Мультипликативная погрешность возникает при изменении коэффициентов преобразования. С течением времени и под действием внешних факторов коэффициенты k₁, k₂…..k_n могут изменяться соответственно на Дk₁, Дk₂,…., Дk_n. При достаточно малых изменениях этих коэффициентов можно пренебречь членами второго и большего порядка малости, и тогда относительное изменение чувствительности

ДS/S = Дk_l/k_l+Дk₂/k₂ + … +Дk_n/k_n. (1.2)

Изменение чувствительности приводит к изменению выходного сигнала на

Дх_п=(S+ДS) x-Sx=ДSx.

Этому изменению выходного сигнала соответствует абсолютная погрешность измерения входной величины

Дх_п= Дх_п /S= xДS/S. (1.3)

Как видно из выражения (1.3), погрешность, вызванная изменением чувствительности, является мультипликативной. Относительная мультипликативная погрешность измерения

д_м = = ДS/S.

Аддитивная погрешность вызывается дрейфом «нуля» звеньев, наложением помех на полезный сигнал и т. д., приводящих к смещению графика характеристики преобразования i_го звена на Дx_oi, как показано на рис. 1.2. Аддитивную погрешность можно найти, введя на структурной схеме после соответствующих звеньев дополнительные внешние сигналы Дх_о1, Дх_о2,…., Дх_0п, равные смещениям характеристик преобразования звеньев.

Рис. 1.2 Характеристика преобразования звена

Для оценки влияния этих дополнительных сигналов пересчитаем (приведем) их к входу структурной схемы. Результирующее действие всех дополнительных сигналов равно действию следующего дополнительного сигнала на входе:

Дx₀ = Дx₀₁/k₁+ Дx₀₂/(k₁k₂)+… + Дx_0n/(k₁k₂…k_n). (1.4)

Результирующая аддитивная погрешность равна Дх_о. Таким образом, как следует из (1.2) и (1.3), в средствах измерений, имеющих структурную схему прямого преобразования, происходит суммирование погрешностей, вносимых отдельными звеньями, и это затрудняет изготовление средств измерений прямого преобразования с высокой точностью.

1.2 Средства измерений уравновешивающего преобразования

Структурная схема средства измерений уравновешивающего преобразования показана на рис. 1.3.

Рис. 1.3 Структурная схема средства измерений уравновешивающего преобразования

Для цепи обратного преобразования (обратной связи)

x_m^` = x_nв₁ в₂ …. в_m = x_nв (1.5)

где в - коэффициент преобразования цепи обратного преобразования;

в₁, в₂., в_m - коэффициенты преобразования звеньев обратной связи.

На входе цепи прямого преобразования в узле СУ происходит сравнение (компенсация) входного сигнала х и выходного сигнала цепи обратного преобразования х'_m и при этом на выходе СУ получается разностный сигнал

Дх = х - х'_m.

При подаче на вход сигнала х выходной сигнал х_n, а следовательно, и х'_m, будут возрастать до тех пор, пока х и х'_т не станут равны. При этом по значению х_n можно судить об измеряемой величине х.

Средства измерений, имеющие такую структурную схему, могут работать как с полной, так и с неполной компенсацией.

При полной компенсации в установившемся режиме

Дх = х - х_т = 0. (1.6)

Это возможно в тех устройствах, у которых в цепи прямого преобразования предусмотрено интегрирующее звено с характеристикой преобразования

измерение прямой преобразование

х_i= (x_i-1) dt.

Примером такого звена является электродвигатель, для которого угол поворота вала определяется приложенным напряжением и временем. В этом случае, учитывая (1.5) и (1.6), получим

х_n = х/(в₁ в₂… в_m)=х/ в. (1.7)

Таким образом, в момент компенсации сигнал на выходе средства измерений пропорционален входному сигналу и не зависит от коэффициента преобразования цепи прямого преобразования.

Чувствительность (коэффициент преобразования)

S= = (1.8)

Мультипликативная относительная погрешность, обусловленная нестабильностью коэффициентов преобразования звеньев, при достаточно малых изменениях этих коэффициентов

Как видно из этого выражения, относительная мультипликативная погрешность обусловлена только относительным изменением коэффициента преобразования цепи обратного преобразования.

Аддитивная погрешность в средствах измерений с полной компенсацией практически обусловливается порогом чувствительности звеньев, расположенных до интегрирующего звена, и порогом чувствительности самого интегрирующего звена.

Под порогом чувствительности звена понимается то наименьшее изменение входного сигнала, которое способно вызвать появление сигнала на выходе звена. Порог чувствительности имеют, например, электродвигатели, часто применяемые в рассматриваемых устройствах. Для реальных звеньев график характеристики преобразования может иметь вид, показанный на рис. 1.4, где ± Дх_i-1 - порог чувствительности.

Рис. 1.4 Характеристика преобразования звена с порогом чувствительности

При наличии порога чувствительности средства измерений состояние компенсации наступает при

х - х'_т = Дх.

Таким образом, изменение входного сигнала в пределах ±Дx не вызывает изменения выходного сигнала, т. е. появляется абсолютная аддитивная погрешность, значение которой может быть в пределах ± Дх.

При неполной компенсации в средствах измерений интегрирующего звена нет и обычно выполняется условие (1.5), а также

x_n = kДx, (1.9)

где

k = k₁ k₂…k_n

- коэффициент преобразования цепи прямого преобразования. В этом случае установившийся режим наступает при некоторой разности

Дх = х - х'_т. (1.10)

Зависимость между выходным и входным сигналами, находимая путем решения уравнений (1.5), (1.9) и (1.10),

x_n = kx/(l+kв). (1.11)

Как видно из выражения (1.11), при установившемся режиме выходной сигнал пропорционален входному и зависит от коэффициентов преобразования цепи как обратного, так и прямого преобразования.

Если выполняется условие kв» l, то уравнение (1.11) переходит в (1.7) и при этом нестабильность коэффициента преобразования цепи прямого преобразования не влияет на работу устройства. Практически, чем выше kв, тем меньше влияние k. Предел увеличения kв обусловлен динамической устойчивостью средства измерений.

Чувствительность (коэффициент преобразования) средства измерений с неполной компенсацией

S= = (1.12)

Мультипликативная погрешность, обусловленная изменением коэффициентов преобразования звеньев при достаточно малых изменениях этих коэффициентов.

Следовательно, при kв>>1 (что обычно имеет место) составляющая, обусловленная изменением коэффициента в, целиком входит в результирующую погрешность, а составляющая, обусловленная изменением коэффициента k, входит в результирующую погрешность ослабленной в kв раз.

Нелинейность характеристики преобразования цепи прямого преобразования можно рассматривать как результат влияния изменения коэффициента преобразования k относительно некоторого начального значения при х = 0. Полученные уравнения показывают, что нелинейность характеристики преобразования уменьшается действием отрицательной обратной связи в kв раз.

Аддитивная погрешность может быть найдена путем введения в структурную схему дополнительных сигналов Дx_o1, Дх_о2, - ., Дx_on, Дx`<sub>o1</sub>, Дх`_o2,…, Дх`_oт, равных смещениям характеристик преобразования соответствующих звеньев.

Применяя методику, рассмотренную выше, получим абсолютную аддитивную погрешнось, равную погрешности

Дx_o=[Дx_o1/k₁ + Дx_o1/(k₁k₂) +…. + Дx_o1/(k₁ k₂…k_n)] - (в₂в₃….в_mДx`<sub>o1</sub> + в<sub>3</sub>в4…..в<sub>m</sub>Дx`_o2 + …+ Дx`_om). (1.13)

Следует отметить, что средства измерений могут иметь комбинированные структурные схемы, когда часть цепи преобразования охвачена обратной связью.

Вид структурной схемы средства измерений влияет не только на рассмотренные характеристики (чувствительность, погрешность), но также на входные и выходные сопротивления, динамические свойства и др.

2. Время-импульсный цифровой вольтметр

В этих вольтметрах (рис. 2, а и б) измеряемое напряжение U_x предварительно преобразуется во временной интервал t_x путем сравнения U_x с линейно-изменяющимся напряжением U_k.

Рис. 2. Схема (а) и диаграммы напряжений (б) время-импульсного вольтметра

При запуске прибора старт-импульсом в момент t₁ срабатывает триггер Тг, который открывает ключ К и запускает генератор линейно-изменяющегося напряжения ГЛИН. Напряжение U_K на выходе генератора ГЛИН начинает изменяться по линейному закону, и на вход ПУ подаются квантующие импульсы. В момент t₂ при

U_K=U_X

сравнивающее устройство СУ стоп-импульсом через триггер и ключ прекращает подачу импульсов в ПУ. Таким образом, за время

t_x=t₂ - t₁ = U_x/k

(где k - коэффициент, характеризующий скорость изменения напряжения U_к) на вход ПУ пройдет число импульсов

N=t_x/T₀=U_xf₀/k. (2.1)

Составляющие погрешности прибора:

1) погрешность квантования, зависящая от t_x/T_o;

2) погрешность реализации от нестабильности f_о;

3) погрешность от наличия порога срабатывания СУ;

4) погрешность от нелинейности и нестабильности кривой линейно-изменяющегося напряжения, т. е. от непостоянства k; эта составляющая практически определяет точность этих вольтметров.

В настоящее время у время-импульсных ЦИУ погрешность снижена до ±0,05 %. Показания этих ЦИУ определяются мгновенным размером входного сигнала, а поэтому эти ЦИУ чувствительны к помехам.

Выводы

При изучении получены знания по использованию методов и средств измерений, ознакомились с принципами работы и устройством основных измерительных приборов и систем, приобрели навыки проведения измерений.

Литература

1. Основы метрологии и электрические измерения. /Под ред. Е.М. Душина/ - Л. «Энергоатомиздат», 1987 - 480 с.

2. Метрология, стандартизация и измерения в технике связи. /Под ред. Б.П. Хромого/. - М «Радио и связь», 1986 - 424 с.

3. Кукуш В.Д. Электрорадиоизмерения - М. «Радио и связь», 1985 - 368 с.

4. Винокуров В.И., Каплин С.И., Петелин И.Г. Электрорадиоизмерения - М, «Высшая школа», 1986 -351 с.

5. Методические указания к изучению курса «Основы метрологии и измерительной техники» / Сост. Ф.Я. Шухат - Северодонецк; Изд-во СТИ, Восточноукр. Нац. Ун-та, 2000, 27 с.

6. Васильев А.С. Основы метрологии и технические измерения - М., Машиностроение, 1988 - 240 с.

7. Основы метрологии и электрические измерения: Учебник / Под ред. Е.М. Душина - Л., Энергоатомиздат, 1987 - 480 с.

8. Цюцюра С.В., Цюцюра В.Д. Метрологія, основи вимірювань, стандартизація та сертифікація: Навч. посіб. - К., Знання, 2005 - 242 с.

Размещено на Allbest.ru