Электроизмерительные приборы и системы

В результате изучения данной главы студенты должны: знать: структуру и типы измерительных приборов и электрических датчиков, конфигурацию информационных измерительных систем;

уметь: проводить измерения требуемых характеристик с помощью электроизмерительных приборов;

владеть: основами проведения измерительных экспериментов.

Основы экспериментальных исследований методами электроизмерений

Развитие науки и техники связано с возможностями получения информации о природных явлениях и процессах методами измерений. Современная практика требует измерения множества величин при постоянном повышении требований к достоверности получаемых результатов.

Электроизмерения первоначально рассматривали как методы контроля электрической энергии и средства измерения электрических токов, напряжений, магнитных потоков, а также параметров электрических цепей и систем с использованием приборов, принцип действия которых базируется на силовом взаимодействии электрического тока с магнитным током. Разработанные в теории электрических измерений методы и средства оказались перспективными для проведения исследований и в других областях науки и техники. Это привело к возникновению направления электрических измерений физических величин.

Развитие электроники привело к существенным переменам в технике электрических измерений, которая стала одной из основных областей применения весьма быстро совершенствующихся электронных элементов и приборов. Встраивание в измерительные приборы электронных преобразователей позволило повысить их точность и расширить диапазон измерений. Совершенствование изделий интегральной микроэлектроники и создание микропроцессоров ознаменовали новый этап развития электронных измерений. С помощью встроенных вычислительных средств появилась возможность внутренней диагностики и настройки параметров измерительных приборов. Для исследования множества величин, характеризующих свойства сложных объектов, отдельные цифровые измерительные приборы стали объединять в информационные измерительные системы. На основе стандартных интерфейсных средств и вычислительных сетей создавались типовые измерительно-вычислительные комплексы.

Разработка сложных измерительных приборов и информационных измерительных систем стимулировала создание современной теории измерений и планирования эксперимента.

Измерение представляет собой совокупность экспериментальных и вычислительных операций, имеющих целью определение значений выбранных физических величин, характеризующих состояние объекта. Теория измерений является предметом изучения метрологии — науки об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. В метрологии исследуются общие принципы измерения физических величин и закономерности, связывающие результаты измерения с состоянием объекта, которое претерпевает изменение в процессе взаимодействии со средствами измерения.

В метрологии термин «измерение» трактуется как нахождение значения физической величины с помощью специальных технических средств, имеющих нормированные метрологические характеристики. Это необходимо для обеспечения единства измерений и обработки данных с заданной погрешностью в различных условиях при применении теории планирования и проведения экспериментальных исследований.

Планирование и проведение экспериментальных исследований свойств объекта должны осуществляться на основе регламентированных принципов измерения, т. е. совокупности физических явлений, на которых основаны измерения с использованием регламентированных методов измерения, т. е. совокупности приемов использования принципов и средств измерений.

Эффективность применения принципов, методов и средств измерений существенно зависит от постановки цели измерения и описания последовательности измерительных процедур. Целью измерения является достаточная для выделения избранной величины конкретизация описания объекта исследования, задание требуемой точности результата и условий проведения испытаний. Определение цели связано с решением ряда задач:

• • выделение объекта из всей общности других объектов и предварительное описание его свойств с помощью совокупности физических величин (контролируемых и неконтролируемых);
• • формирование модели объекта на основе априорных данных;
• • выбор величины, подлежащей измерению, или совокупности величин, посредством которых будет находиться значение измеряемой величины.

Разработка модели объекта и постановка цели измерения относятся к области науки и техники, изучающей свойства исследуемого объекта. Без построения предварительной модели невозможно выполнить целенаправленный эксперимент и получить достоверные результаты. Например, для измерения сопротивления резистивного двухполюсника необходимо знать его вид (нелинейный или линейный) и только после обоснования допущения о линейности характеристики в заданном интервале изменения тока ставить задачу измерения сопротивления. При этом для правильного выбора измерительных приборов (амперметра, вольтметра) необходимо знать диапазон возможных значений измеряемого сопротивления. При усложнении цели измерения, например определении параметров проволочного резистора с учетом его инерционности, следует вначале построить эквивалентную схему и только после этого можно приступать к выбору метода и средств измерения.

Таким образом, предварительная математическая модель объекта служит основой выбора принципов и методов измерения, а также создания измерительных средств: датчиков, измерительных преобразователей и приборов, средств отображения результатов и вычислительных устройств. Принятая модель должна отражать существенные для рассматриваемой задачи свойства объекта при заданном уровне идеализации. Свойства объекта описываются в виде соотношений между различными величинами. Измерения проводятся с целью получения количественных данных, характеризующих выбранные величины.

Экспериментальные исследования следует выполнять по методике, которая должна быть разработана в соответствии с регламентирующими нормативными документами. Во многих случаях необходимо иметь возможность управлять проведением эксперимента (переключать пределы измерения приборов, изменять некоторые условия), что требует обработки данных во время их поступления, т. е. регистрации изменения исследуемых величин в реальном масштабе времени.

Соответствующая обобщенная структурная схема измерения содержит датчики (Д_ь Д₂,…) физических величин x_{(t), x₂(t)_y…, характеризующих состояние объекта; канал связи, соединяющий выходы датчиков со средствами измерений; устройство отображения результатов (дисплей) и цифровое вычислительное устройство (ЦВУ) для обработки результатов эксперимента (рис. 21.1).

Все величины, кроме измеряемых —> относят к помехам. Некоторые помехи (V (t)) являются контролируемыми (известны или подлежат измерению), другие (?;(?)) изменяются по произвольным и заранее неизвестным законам. В режиме управляемого эксперимента состояние объекта изменяется под действием управляющего сигнала и (?), вырабатываемого ЦВУ по результатам обработки выходного сигнала y{t) с учетом цели измерения.

Исходная информация, отражающая состояние объекта или процесса, имеет, как правило, аналоговую форму, не структурирована и скрыта в шумах и помехах. Измерение представляет собой процесс целенаправленного извлечения и анализа необходимой пользователю информации. Измерительные преобразователи выполняют множество операций обработки информационных сигналов: нормализацию, фильтрацию, модуляцию, передачу, хранение, дискретизацию, квантование, кодирование, восстановление. Целью указанных действий является обеспечение измерения физической величины с заданной точностью, необходимой для построения моделей объекта.

Совокупность технических средств, осуществляющих преобразование сигналов в процессе обработки информации, составляет измерительную систему, которая позволяет выполнять одновременную регистрацию совокупности физических величин. В простом варианте измерительная система содержит набор необходимых измерительных приборов, которые могут быть подключены к ЦВУ с использованием стандартных интерфейсных средств.

Рис. 21.1. Структурная схема измерительного эксперимента.