Воспринимающие элементы (датчики) и измерительные схемы автоматических систем

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Лабораторная работа № 1

Воспринимающие элементы (датчики) и измерительные схемы автоматических систем

Цель работы

Изучение основ метрологии, принципа действия датчиков и измерительных схем.

Основы метрологии

Основные понятия. Измерение - это познавательный процесс, заключающийся в сравнении измеряемой величины Х с некоторым её значением Хе , принятым за единицу. Основное уравнение измерения

А = Х / Хе (1.1)

где A - численное значение отношения.

Совокупность технических средств, служащих для воспроизведения единицы измерения с определённой, наперёд заданной точностью, называется мерой. Устройства, с помощью которых может быть выполнен процесс измерения, называют измерительной аппаратурой.

Погрешности измерения.

Результат любого измерения неизбежно отличается от истинного значения.

Это различие обусловлено несовершенством измерительной аппаратуры, влиянием внешних факторов (изменение температуры, давления и т.п.), опытом работы оператора. Разность ?Х между измеренным значением X контролируемого параметра и его действительным ХД(истинным) значением, называется абсолютной погрешностью

? Х = Х - ХД . (1.2)

Величина С, равная по значению абсолютной погрешности и обратная по знаку, называется абсолютной поправкой

С = - ?Х . (1.3)

Значение абсолютной погрешности или поправки необходимо для определения истинного значения измеряемой величины:

ХД = Х - ?Х , ХД = Х + С. (1.4)

Для оценки точности измерений, сопоставления результатов измерений определяются значения относительной погрешности , приведённой относительной погрешности или поправочного коэффициента К :

г = 100 ?Х / ХД , д = 100 ? Х / Хш , К = ХД / Х , (1.5)

где Хш - диапазон шкалы прибора.

Наибольшая приведённая относительная погрешность, допускаемая техническими условиями на данный прибор, определяет класс точности прибора.

По характеру действия определяют погрешности:

- систематические, подчиняются определенному закону. Эти погрешности исключаются введением поправок; - случайные, которые зависят от внешних факторов и могут быть выявлены при математической обработке результатов измерений;

- промахи - это те погрешности, которые явно искажают результаты измерений.

К важным характеристикам измерительной аппаратуры относятся чувствительность приборов и цена деления шкала. Под чувствительностью S прибора принято понимать отношение ?n перемещения указателя (стрелки) к изменению значения ?ХИ измеряемой величины:

S = ?n / ? ХИ . (1.6)

Ценой деления шкалы прибора называется значение измеряемой величины, вызывающее отклонение указателя на одно деление.

Методы измерений. Под методом намерений понимается совокупность приёмов, обеспечивающих процесс измерения. Существуют два основных метода измерений: метод непосредственной оценки контролируемого параметра и метод сравнения.

Метод непосредственной оценки. В процессе измерения мера непосредственного участия не принимает. Соотношение между значениями измеряемой величины и меры задаётся предварительной градуировкой шкалы измерительного прибора по образцовым мерам, эталонам, приборам. Метод наиболее простой. Получил широкое применение в быту и инженерной практике (измерение линейных и угловых величин с помощью линеек, штангенциркулей, рейсмусов, угломеров и т.д.; измерение напряжения, силы тока, сопротивлений с помощью вольтметров, амперметров, омметров). Точность измерения определяется чувствительностью S прибора.

Метод сравнения. Метод сравнения реализуется различными способами. В зависимости от способа измерения принято различать дифференциальный (разностный) метод, метод нулевого отсчёта, метод совпадения и метод замещения. В отличие от метода непосредственной оценки, в методах сравнения непосредственно участвует мера.

Дифференциальный метод измерений реализуется в основном с помощью мостовых неравновесных измерительных схем. Номинальное значение А контролируемого параметра (мера) задаётся величиной сопротивлений резисторов измерительной схемы. Отклонения ?а измеряемого параметра X от номинального значения А сопровождается появлением напряжения на выходе измерительной схемы. Оценке подлежит разность ?а измеряемой величины Х и меры А.

Х - А = ?а .

Метод нулевого отсчёта реализуется с помощью мостовых равновесных измерительных схем статического и астатического уравновешивания. При этом методе измерений производится оценка разности ?а измеряемой величины Х и меры А. Но величина меры А в процессе каждого измерения автоматически приближается к величине Х с погрешностью, определяемой ошибками (погрешностями) следящей системы. То есть

Х - А = ?а , А > Х, ?а > 0.

Метод совпадения получил широкое применения в дискретных системах автоматического управления и контроля, логических и цифровых автоматах. Измеряемая величина Х сравнивается с рядом мер Аi . Результат измерения характеризуется совпадением измеряемой величины Х с одной из мер. Погрешность измерения постоянна и определяется половиной разности величин смежных мер:

Х - Аi = ?а , ?а = (Ак + 1 - Ак) / 2

Метод замещения (метод лабораторный). Применяется для особо точных измерений. Каждому значению измеряемой величины Х сопоставляется соответствующая мера. Метод позволяет исключить погрешности измерительной аппаратуры, соединительных приборов и контактных соединений, температурные погрешности. При реализации этого метода вначале производится измерение параметра технического объекта. Показания приборов фиксируются. Затем вместо технического объекта теми же элементами подключается набор образцовых мер. Меняя величины набора мер устанавливаются те же фиксированные значения. По величине набора мер дают заключение о величине контролируемого параметра.

Сравнение методов измерения. Сравнительная оценка методов измерений может быть получена в результате сопоставления относительных погрешностей измерения одной величины различными методами.

Пусть требуется измерить напряжение, задаваемое эталонным источником питания. U эт = U д = 92 В. Применяем метод непосредственной оценки контролируемого параметра. Для измерений применим вольтметр 4-го класса точности со шкалой 0…150 В. Приведённая погрешность . Абсолютная погрешность измерения. ? Х 1 = 150*4/100 = 6 В. Относительная погрешность измерения .

Применим дифференциальный метод измерения. Зададим величину меры А=100В. Измерение разности ?а проведём с помощью вольтметра 4-го класса точности со шкалой 0…10 В. Получим , ? Х2 =0,4 В, ,

Применем метод нулевого отсчёта. Пусть абсолютная погрешность следящей системы ? Х3 = 2*10 -3 В. . Тогда

Из сравнения относительных погрешностей следует, что метод нулевого отсчета обеспечивает наибольшую точность измерений.

Измерительные схемы автоматических систем

датчик измерительный автоматический погрешность

Мостовая измерительная схема астатического уравновешивания относится к равновесным измерительным схемам и реализует метод нулевого отсчета. В основу схемы положена мостовая реостатная измерительная схема. Мера задается величинами сопротивлений резисторов моста, но не является постоянной. Величина меры соответствует каждому установившемуся значению измеряемой величины. Изменение величины меры производится путем перемещения движка реохорда R р . Условия равновесия схемы определяется уравнением: R1 R3 = R2 R4. Изменение сопротивления R1 чувствительного элемента на величину R сопровождается появлением напряжения на выходе схемы определяемого уравнением: U вых = U 0 R / 4R. Для приведения схемы в новое равновесное состояние необходимо изменить соотношение сопротивлений плеч ab и bc на величину R Р. Условие равновесия моста с учетом перемещения движка реохорда имеет вид:

(R + ?R - ?RР) R = (R + ?R) R ,

Где Тогда .

Перемещение движка реохорда для обеспечения соотношения осуществляется с помощью реверсивного электродвигателя М и редуктора с передаточным отношением i. Усилитель А1 предназначен для усиления сигнала рассогласования (разбаланса) схемы по напряжению и мощности. Принцип действия схемы основан на компенсации изменения сопротивления R чувствительного элемента изменением плеч реохорда на величину ?R0. Поэтому такие измерительные схемы называются компенсационными. Чувствительность схемы определяется уравнением (1.6)

Рис. 1.1.

Мостовая потенциометрическая схема астатического уравновешивания (рис.1.2) предназначена для измерения параметров (температура, давление, перемещение и др.) функционально связанных с электрическим напряжением и относится к равновесным измерительным схемам. Задание схемы производится аналогично мостовой реостатной измерительной схеме астатического уравновешивания.

Рис. 1.2

Чувствительный элемент (измерительный преобразователь напряжения) включен последовательно с измерительной диагональю потенциометрической схемы в цепь усилителя А1.

Условия равновесия схемы:

,

где - напряжение на выходе мостовой реостатной схемы, - напряжение на выходе чувствительного элемента. Напряжение определяется уравнением . С учетом уравнения: S = ?R/е, получим . Здесь S - чувствительность измерительной схемы, U0 - напряжение источника питания.

Состав экспериментальной установки.

В состав экспериментальной установки входят:

- потенциометр, уравновешенный КСП-4 автоматический самопишущий;

- образцовый лабораторный потенциометр ПП-54 (ПП-63).

Содержание работы

В процессе подготовки к работе необходимо изучить погрешности и методы измерений, принцип работы и основные соотношения измерительных схем.

В процессе выполнения лабораторной работы необходимо:

- изучить устройство автоматического потенциометра КСП - 4;

- определить чувствительность и цену деления шкалы прибора;

- провести поверку прибора (определить абсолютную, относительную и приведенную относительную погрешности), составить таблицу поправок и построить график зависимости д = f (x);

- провести анализ результатов измерений и дать заключение о классе точности прибора;

- сделать выводы.

Методика и порядок проведения исследований

Изучение прибора КСП-4 производить под непосредственным контролем преподавателя или учебного мастера.

Для определения чувствительности S прибора КСП - 4 необходимо с помощью образцового потенциометра задать величину ДX и снять по шкале прибора КСП - 4 величину ? n. Измерения провести на начальном, среднем и конечном участках шкалы. Измерения повторить 5 раз. Полученные данные занести в таблицу 1.1.

Вычислить S = ? n/ ? X.

По результатам наблюдений определить среднее значение S для каждого участка шкалы.

Таблица 1.1

Для определения цены деления шкалы необходимо с помощью образцового потенциометра переместить стрелку указателя прибора КСП-4 на десять делений шкалы прибора. Показания образцового потенциометра разделить на десять и полученное величину ?U занести в таблицу 1.2. Затем переместить стрелку указателя прибора КСП - 4 еще на десять делений. Из полученного показания образцового потенциометра вычесть предыдущее показание и эту разность снова разделить на десять и т.д. Измерения повторить 5 раз. Определить среднее значение цены деления шкалы прибора.

Таблица 1.2.

Поверка прибора. Абсолютная погрешность ДX определяется по формуле

?Х = Х - Хд

путем сравнения показаний X прибора КСП-4 и показаний Хд образцового потенциометра. . Для поверки приборов со шкалой 0 … 10мВ измерения производить с интервалом 1мВ. Относительная погрешность равна

г = 100 ? Х / Хд ,

а приведенная относительная погрешность равна

д = 100 ? Х / Хш ,

где Хш - диапазон шкалы прибора (10 мВ). Результаты занести в таблицу 1.3.

Таблица 1.3.

Для перевода действительных значений Хд в градусы использовать таблицу 1.4.

Градуировка термопары хромель-копель (ХК).

Таблица 1.4.

Отключить лабораторную установку. Доложить преподавателю о выполненной работе и показать результаты измерений.

Контрольные вопросы

Какие погрешности называются систематическими? Как исключить эти погрешности?

Как учесть влияние случайных погрешностей и промахов?

Что называется абсолютной погрешностью?

Как определить относительную погрешность КИП? С какой целью вводится эта погрешность?

Запишите выражение для определения приведенной относительной погрешности КИП.

Как определить класс точности прибора?

Объясните принципы работы индуктивного датчика.

Как производят измерения с помощью тензометрических датчиков?

На чем основано действие пьезоэлектрических датчиков? Назовите области их применения.

Обьясните принцип действия термопар.

Объясните принцип работы терморезисторов и термисторов.

Что собой представляет биметаллические датчики?

Какие датчики используют для преобразования давлений?

В чем заключается эффект Холла?

Объясните принцип работы преобразователя логометрического типа.

Нарисуйте мостовую измерительную схему. Запишите и объясните условие (уравнение) равновесия.

С какими датчиками может работать автоматический мост и потенциометр?

Какие функции выполняют двигатели в мостовой измерительной схеме?

Размещено на Allbest.ru