Метрология и радиоизмерения

Содержание 
 
 

Введение......................................................................................................................3

1. Методы измерения ...............................................................................................4
2. Метод непосредственной оценки .......................................................................4
3. Метод сравнения...................................................................................................5
4. Средства измерения (Электромеханические амперметры и вольтметры).5
5. Магнитоэлектрические приборы.........................................................................8
6. Электромагнитные приборы..............................................................................12
7. Ферродинамические приборы ...........................................................................14
8. Электростатические приборы............................................................................14
9. Выпрямительные приборы.................................................................................15

Заключение..............................................................................................................17

Литературы................................................................................................................19 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

      В эпоху научно-технической революции  темпы развития науки и техники  в значительной степени определяются научным и техническим уровнем  измерения. В свою очередь уровень  развития измерительной техники  является одним из важнейших показателей  прогресса науки и техники. Это  особенно справедливо для электрорадиоизмерений, поскольку исследования в области физики, радиотехники, электроники, космонавтики, медицины, биологии и других отраслей человеческой деятельности базируются на измерениях электромагнитных величин.

      Основными направлениями качественной стороны  развития электрорадиоизмерительной техники являются:

• повышение точности измерения;
• автоматизация процессов измерения;
• повышение быстродействия и надежности измерительных приборов;
• уменьшение потребляемой мощности питания и габаритов всех средств измерительной техники.

      Электрорадиоизмерения, как и другие измерения, основаны на метрологии.

      Метрология  – наука об измерениях, методах  и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой  точности. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Методы  измерения 

      Перед измерением тока (напряжения) нужно  иметь представление о его  частоте, форме, ожидаемом значении, требуемой точности измерения и  сопротивлении цепи, в которой  производится измерение. Эти предварительные  сведения позволяют выбрать наиболее подходящий метод измерения и измерительный прибор.

      Для измерения тока и напряжения применяют  метод непосредственной оценки и  метод сравнения. 

Метод непосредственной оценки

 
 
 
 
 
 
 
 

                       а) б) 

     а) тока;

     б) напряжения

Рисунок 1. Схема измерения методом непосредственной оценки. 

      Метод непосредственной оценки осуществляют с помощью прямопоказывающих приборов – амперметров и вольтметров со шкалами, градуированными в единицах измеряемой величины. Как показано в 1 рисунке Амперметр включают последовательно с нагрузкой (в разрыв цепи); вольтметр присоединяют параллельно участку цепи, падение напряжения на котором нужно измерить. Включенный в цепь прибор оказывает на ее режим определенное влияние, для уменьшения которого необходимо строго выполнять следующие условия:

• внутреннее сопротивление амперметра R_A должно быть много меньше сопротивления нагрузки R_н;
• внутреннее сопротивление вольтметра R_V должно быть много больше сопротивления нагрузки R_н;

      Невыполнение  этих условий приводит к систематической  методической погрешности, которая  приблизительно совпадет со значениями отношений R_A/R_Н и R_Н/R_V. Условие R_V > R_Н особенно трудно выполнить при измерении напряжения на участках (нагрузках) с большим сопротивлением в так называемых слаботочных цепях. Для этой цели применяют электронные вольтметры с входным сопротивлением до сотен мегаом.

      С повышением частоты погрешность  измерений тока увеличивается. 

Метод сравнения 

      Метод сравнения обеспечивает более высокую  точность измерения. Его осуществляют с помощью приборов – компенсаторов, отличающихся тем свойством, что  в момент измерения мощность от измеряемой цепи не потребляется, т.е. входное сопротивление  практически бесконечно. Это свойство позволяет применять компенсаторы для измерения ЭДС. Метод сравнения  реализуется также в цифровых вольтметрах дискретного действия и аналоговых компенсационных вольтметрах, благодаря чему погрешность измерения  составляет десятые, сотые и даже тысячные доли процента. 

Средства  измерения (Электромеханические  амперметры и вольтметры) 

      Электромеханические измерительные приборы относятся  к приборам прямого преобразования, в которых электрическая измеряемая величина х непосредственно преобразуется в показания отсчетного устройства. Таким образом, любой электромеханический прибор состоит из следующих главных частей:

• неподвижной, соединенной с корпусом прибора;
• подвижной, механической или оптической связанной с отсчетным устройством.

      Отсчетное устройство предназначено для наблюдения значений измеряемой величины. Оно  состоит из шкалы и указателя, располагаемых на лицевой стороне прибора. Шкалой называется совокупность отметок (штрихов), расположенных в определенной последовательности, и проставленных у некоторых из них чисел отсчета, соответствующих ряду последовательных значений измеряемой величины. Шкалы могут быть равномерными и неравномерными (квадратичными, логарифмическими и др.). Расстояние между двумя соседними штрихами называется делением шкалы. Разность значений измеряемой величины, соответствующая двум соседним отметкам называется ценой деления.

  
 
 
 

      а) б) в)

:

    а) на оси;

     б) на растяжках;

     в) на подвесе;

Рисунок 2. Способы установки подвижной части прибора

      Указатели делятся на стрелочные и оптические. Оптические указатели состоят из источника света, зеркальца, расположенного на подвижной части, и системы зеркал удлиняющих путь луча света и направляющих его на полупрозрачную шкалу. Оптические указатели обеспечивают большую чувствительность прибора и меньшую погрешность отсчета по сравнению со

стрелочным.

    Подвижная часть прибора снабжается осью или полуосями, которые оканчиваются запресованными в них стальными кернами. Последние опираются на корундовые или рубиновые подпятники (Рисунок 2,а). Трение керна о подпятник снижает чувствительность и точность прибора, поэтому подвижную часть устанавливают на растяжках или подвесах (Рисунок 2,б,в).

Электромеханический измерительный прибор содержит следующие  узлы:

• узел, создающий вращающий момент;
• узел, создающий противодействующий момент;
• успокоитель

    Электромагнитная энергия W_эм поступает от измеряемого объекта в узел, создающий вращающий момент, и вызывает поворот подвижной части прибора. Вращающий момент М_в можно выразить уравнением Лангранжа второго рода:                                                                                                  

                                                                                                                         (1)

      Под воздействием вращающего момента подвижная  часть всегда будет поворачиваться до упора. Необходим противодействующий момент М_п , направленный навстречу вращающему моменту. Противодействующий момент можно получить за счет механических или электрический сил. В первом случае он создается с помощью плоских спиральных пружин или металлических нитей, закрепленных концами на неподвижной и подвижной частях прибора и закручивающихся при повороте подвижной части. Механический противодействующий момент прямо пропорционален углу поворота а:

      (2)

      где W – удельный противодействующий момент, зависящий от свойств упругого элемента.

     
 
 
 
 
 
 
 
 

   Рисунок 3 

   Во  втором случае противодействующий момент создается за счет электромагнитной энергии измеряемой величины в соответствии с формулой.

 

Движение  подвижной части прибора прекращается в некотором положении а₀ , когда вращающий и противодействующий моменты окажутся равными друг другу: М_в = М_п (Рисунок 3). Подставляя значение М_в и М_п из формул 1 и 2, можно получить выражение для угла поворота

подвижной части прибора в виде

                                                                  

                                                                                                        (3)  

      Если  противодействующий момент создается  за счет электромагнитной энергии, движение прекращается в момент достижения равенства  двух моментов М₁ и М₂ противоположного направления. В общем виде на основе формулы (1) выражения для моментов можно записать так:

 и

      где х₁ и х₂ – электрические измеряемые величины.

 Успокоитель предназначается для  убыстрения процесса затухания колебаний  подвижной части прибора, выведенной из равновесия. Момент успокоения

(4)                                                                                            

      где Р – коэффициент успокоения, зависящий от типа и конструкции успокоителя;

                da/dt – угловая скорость перемещения подвижной части.

  
 
 
 
 
 

                     

            а)                        б)

а) воздушный;

                   б)магнитоиндукционный;

Рисунок 4. Успокоители 

Наиболее  распространены воздушные жидкостные и магнитоиндукционные успокоители (Рисунок 4), с помощью которых время успокоения сокращается до 3-4с. По принципу преобразования электромагнитной энергии в механическую приборы разделяются на несколько групп (систем). Основными системами являются: магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая (ферродинамическая) и электростатическая. 
 

Магнитоэлектрические  приборы 

      Магнитоэлектрические  приборы применяются в качестве амперметров, вольтметров и гальванометров для измерений в цепях постоянного  тока, а в сочетании с преобразователями  переменного тока в постоянный – и для измерений в цепях переменного тока.