Метрологические характеристики

ВИДЫ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Средства измерения (СИ) - технические средства, предназначенные для обеспечения инженерного и метрологического эксперимента. Все многообра­зие средств измерений (СИ) делится на пять основных классов:

1. Меры.

2. Измерительные преобразователи.

3. Измерительные приборы.

4. Измерительные установки.

5. Информационно-измерительные системы.

Мера - средство измерения предназначенное для воспроизведения физи­ческой величины данной природы и размера (например мера сопротивления -это магазин сопротивления).

Измерительные преобразователи - СИ, предназначенные для преобра-зования физической величины одной природы и размера в физическую величи­ну другой природы и размера (например преобразователь Холла).

 

Рис. 1.1. Структурная схема преобразователя Холла:

X=B – входная величина (индукция магнитного поля); Y=E_x – выходная

величина(ЭДС Холла); ПХ- преобразователь Холла.

Измерительные приборы - это СИ, предназначенные для представления некоторого входного сигнала измерительной информации в выходной сиг­нал, удобный для наблюдения экспериментатора (например цифровой вольт­метр).

Измерительные установки - это СИ, которое представляет собой совокуп­ность измеряемых преобразователей, приборов и вспомогательных уст­ройств, предназначенных для получения информации, в форме удобной для экспериментатора, об измерительных сигналах, подаваемых на его вход.

Информационно-измерительные системы -это СИ, предназначенные для получения преобразования, обработки и передачи на расстояние сигналов из­мерительной информации от множества испытательных сигналов (например, система контроля энергопотребления района или предприятия).

Различают статические и динамические свойства СИ.

Статические свойства СИ проявляются в статическом режиме работы, т.е. когда выходной сигнал можно считать постоянным в ходе измерений.

Динамические свойства проявляются в динамике работы СИ, при этом вы­ходной сигнал нельзя считать постоянным в ходе измерений.

Свойства СИ описываются характеристиками, среди которых наибольший интерес для нас представляют метро­логические характеристики.

МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИй

 

В настоящей главе рассматриваются статические свойства средств измерения, проявляющиеся в статическом режиме работы, т.е. когда выходной сигнал СИ можно считать неизменным в ходе измерений.

Функция преобразования (статическая характеристика преобразования) – это функциональная зависимость между информативными параметрами входного и выходного сигнала СИ. Функцию преобразования СИ, устанавливаемую для этой СИ в научной и производственно-технической документации, называют номинальной функцией преобразования. Так, например, функция преобразования магнитоэлектрического измерительного механизма (МЭИМ) записывается формулой

,

где α – выходная величина (угол отклонения стрелки механизма),

І – входная величина, соответствующая значению угла отклонения ;

B – магнитная индукция в зазоре,

S и N – соответственно площадь поперечного сечения и число витков рамки,

W – удельный противодействующий момент.

Чувствительность СИ – это отношение приращения выходного сигнала ΔY к приращению входного сигнала ΔХ. В общем случае чувствительность Sопределяется по формуле

.

(2.1)

При нелинейной функции преобразования Y=F(X) значение чувстви-тельности S зависит от X. При линейной характеристике функции преобразования чувствительность является постоянной величиной и не зависит от Х.

В частности при условии, что Y=SX:

S .

(2.2)

Так, например, чувствительность МЭИМ определяется формулой:

S – чувствительность измерительного механизма.

Деление шкалы (размер деления) – это участки шкалы, на которые делят шкалу с помощью отметок шкалы.

Постоянная прибора (С) – величина, обратная чувствительности:

.

(2.3)

Порог чувствительности СИ – это наименьшее изменение входной величины, различаемое на выходе данного СИ.

Диапазон измерений – это область значений измеряемой величины, для которых нормированы допускаемые погрешности.

Цена деления шкалы – это разность значений величин соответствующих двум соседним отметкам шкалы.

Входное полное сопротивление СИ – это комплексная величина , влияющая на режим работы объекта исследования.

Выходное полное сопротивление СИ – это комплексная величина , характеризующая влияние нагрузки на работу СИ.

 

 

Рис. 2.1. Упрощенная эквивалентная электрическая схема

замещения схем исследования и СИ:

– ЭДС источника электрического сигнала в схеме исследования;

– эквивалентное выходное сопротивление схемы исследования;

– эквивалентная ЭДС схемы замещения СИ;

Z _н – эквивалентное сопротивление нагрузки.

Абсолютная погрешность СИ- это отклонение измеряемой величины от её действительного значения Д ,

(2.4)

где Х_Д и Х – действительное и измеренное значение величины.

Относительная погрешность СИ - это отношение абсолютной погрешности к измеренной величине

.

(2.5)

Относительная приведенная погрешность - это отношение абсолютной погрешности к нормируемому значению измеряемой величины

,

(2.6)

где X_н – нормирующее значение измеряемой величины X.

Для измерительных преобразователей погрешность может определяться как по выходу, так и по входу преобразователя. Если выражение для номинальной функции преобразования имеет вид

,

(2.7)

то погрешность этого преобразователя по входу определяется по формуле

,

(2.8)

где - функция обратная функции (2.7), Y_Д - действительное значение величины Y.

Погрешность преобразователя по выходу

.

(2.9)

Погрешности СИ зависят от внешних условий (условия окружающей среды), поэтому различаются основные и дополнительные погрешности.

Основные погрешности – это погрешности, которые возникают при условиях окружающей среды, принятых за нормальные (НУ).

Дополнительная погрешность – это погрешность, которая возникает при отклонении условий окружающей среды от НУ.

С учетом влияния условий окружающей среды на СИ можно записать статическую характеристику преобразования в виде

,

(2.10)

где - влияющие величины,

X и Y – соответственно входная и выходная величины.

Как следует из формулы (2.10) изменение выходной величины зависит не только от входной , но и от изменения влияющих величин Следовательно, в общем виде изменение выходной величины

.

(2.11)

В формуле (2.11) второе и последующие слагаемые являются слагаемыми погрешностей влияющих величин. Если изменение влияющих величин находится в пределах НУ, то все составляющие формулы (2.11) входят в состав основной погрешности.

При отклонении влияющих величин за пределы НУ, указанные приращения образуют дополнительную погрешность. Функция F_bi называется функцией i-ой влияющей величины и определяется следующей системой уравнений:

,

(2.12)

где - влияющие величины, для которых определяют дополнительную погрешность, - нормальные значения влияющих величин, - коэффициенты влияния влияющей величины.

Вариация выходного сигнала – это разность между значениями информативного параметра выходного сигнала, соответствующая одному и тому же действительному значению входной величины, при медленном изменении ее вверх или вниз при подходе к выбранному значению входной величины.

Рис. 2.2. Графическая иллюстрация влияния аддитивной погрешности на исходную функцию преобразования Y=S X рассматриваемого СИ:

ΔY – абсолютная аддитивная погрешность;

 

По зависимости погрешности СИ от измеряемой величины различают

аддитивную и мультипликативную погрешности

Аддитивная погрешность - это погрешность, абсолютное значение которой не зависит от измеряемой величины.

Мультипликативная погрешность - это погрешность, абсолютное значение которой пропорционально изменению входной величины. Мультипликативная погрешность является погрешностью чувствительности.

Рис. 2.3. Графическая иллюстрация влияния мультипликативной погрешности на исходную функцию преобразования Y=S·X рассматриваемого СИ:

Y*=S*·X – новая функция преобразования СИ прибывающей мультипликативной погрешности.

Переход от исходной функции преобразования к новой функции преобразования, учитывающей появление мультипликативной погрешности поясняют следующие математические преобразования:

; ; ,

(2.13)

где K – коэффициент пропорциональности;

; ; ;     3. ЭТАЛОНЫ, ОБРАЗЦОВЫЕ И РАБОЧИЕ МЕРЫ Средство измерений (или комплекс средств изме­рений), обеспечивающее воспроизведение и (или) хранение единицы ве­личины с целью передачи ее размера другим средствам измерений и офи­циально утвержденное в установленном порядке, называется эталоном единицы физической величины. Эталоны, воспроизводящие одну и ту же величину, подразделяются на следующие: первичный эталон, обеспе­чивающий наивысшую точность воспроизведения единицы; вторичный эталон, установленный на основании произведенных с метрологической точностью сличений с первичным эталоном; рабочий эталон, применяе­мый для передачи размера единицы образцовым средствам измерения высшей точности. Образцовыми называются меры, слу­жащие для поверки по ним других средств измерений и утвержденные в качестве образцовых. Рабочие меры предназначены для целей измерения во всех областях народного хозяйства. При измерении электрических величин используют образцовые и ра­бочие меры ЭДС, сопротивления, индуктивности, взаимной индуктив­ности, емкости. В настоящее время мерами ЭДС служат нормальные элементы (НЭ), которые представляют собой стабильные гальванические элементы с точно известными значениями ЭДС. НЭ подразделяются на два типа — насыщенные и ненасыщенные, в зависимости от того, насыщенный или ненасыщенный водный раствор сернокислого кадмия используется в них в качестве электролита. Насыщенные НЭ стабильнее ненасыщенных. Согласно ГОСТ 1954-82 они могут иметь один из следующих классов точности: 0,0002.(с 1986 г.); 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005; эти значения соответствуют наибольшим допускаемым изменениям ЭДС за 1 год на 5, 10, 20 и 50 мкВ. Наибольший ток, который можно пропускать через насыщенный НЭ, определяется временным режимом работы и зависит от класса точности элемента. Согласно ГОСТ 1954-82 наибольший допусти­мый ток лежит в диапазоне от 0,002 до 1 мкА. Значения ЭДС при 20° С заключены между 1,018540 и 1,018730 В. Если температура отличается от 20 °С, то изменение ЭДС следует учитывать, используя известную зависимость ЭДС от температуры. Эта зависимость для насыщенного НЭ выражается формулой Et = Е20 - 40,6 ∙10^-6 (t - 20) - 0,95 ∙ 10^-6 (t - 20)^2 + 0.01 ∙ 10^-6 (t - 20)^3, где Et - ЭДС, В, при температуре t, °С; Е20 - ЭДС, В, при температу­ре 20° С, указанная в паспорте нормального элемента. Внутреннее сопротивление насыщенных НЭ составляет 500—2000 Ом. Ненасыщенные НЭ выпускаются с классами точности 0,002; 0,005; 0,01 и 0,02. Это соответствует допустимым изменениям ЭДС на 20, 50, 100 и 200 мкВ в год. Их ЭДС лежит в диапазоне 1,018800-1,019600 В и незначительно зависит от температуры (не более 0,0002% на 1 К). Внутреннее сопротивление - 300-600 Ом. При работе с НЭ следует оберегать их от тряски, опрокидывания, перегрева и воздействия силь­ного света. Мерами сопротивления являются катушки сопротивления. Для их из­готовления используются ленты или проволока из манганина, который имеет большое удельное сопротивление, малый температурный коэф­фициент и малую термоЭДС в паре с медью, а также хорошо противо­стоит окислению. Номинальные значения сопротивления катушек должны выбираться из ряда 10 ^n Ом, где п = -5, -4,..., + 15, +16. Со­гласно ГОСТ 23737-79 катушки сопротивления имеют один из следую­щих классов точности: 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1 и 0,2. При работе в цепях переменного тока может существенную (и неже­лательную) роль играть реактивность катушки, обусловленная ее ин­дуктивностью L0 и собственной емкостью С0. При этом полное сопро­тивление катушки приближенно дается формулой Z = R + jω(L0 - R^2C0). Отношение τ = (Z0 - R^2C0)/R характеризует степень реактивности катушки. Величина τ называется постоянной времени. Ее значение обычно лежит в пределах 10^-8 –10^-5 с. Чтобы уменьшить τ, применяют специальные виды намотки. Так, например, катушка наматывается бифилярно на плоскую диэлектрическую пластину. В лабораторных условиях в качестве мер сопротивления исполь­зуются также штепсельные и рычажные магазины сопротивлений. В их паспортах указываются допустимые значения мощности и тока, а также частотный диапазон. Мерами индуктивности служат катушки и магазины индуктивности. Катушки выполняются из тонкой медной изолированной проволоки, намотаннойна пластмассовый или фарфоровый каркас. Они имеют следующие номинальные значения индуктивности: 0,0001; 0,001; 0,01; 0,1; 1 Гн и классы точности 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,5; 1. Магазины индуктивности состоят из набора катушек индуктивности, образующих декады. Катушки взаимной индуктивности имеют две изолированные обмотки с коэффициентам взаимной индуктивности 1 или 10 мГн. Меры индуктивности и взаимной индуктивности предназначены для ра­боты в цепях переменного тока различных частот (до 10 000 Гц). Тре­бования к мерам индуктивности указаны в ГОСТ 21175-75. Меры емкости выполняются в виде воздушных или слюдяных кон­денсаторов, а также магазинов емкостей. Номинальные значения емко­стей воздушных конденсаторов лежат в пределах от 50 до 4000 пФ, слюдяные конденсаторы имеют большие значения емкостей (до 1 мкФ). Тангенс угла потерь мер емкости составляет 10^-3 – 10^-4. Согласно ГОСТ 6746-75 для мер емкости установлены следующие классы точ­ности: 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1.   4. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ РАЗЛИЧНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН И ПОЛЕЙ   4.1. Основные понятия Измерительный преобразователь – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Измерительный преобразователь, к которому подводится измеряемая величина, называют первичным измерительным преобразователем. Измерительный преобразователь, предназначенный для изменения размера величины в заданное число раз, называют масштабным измерительным преобразователем. В зависимости от рода измеряемой величины на входе измерительные преобразователи для электрических измерений делят на преобразователи электрических величин и преобразователи не электрических величин. Примерами преобразователей электрических величин в электрические являются делители напряжения, усилители напряжения и др. Преобразователи не электрических величин в электрические применяют при электрических измерениях неэлектрических величин. Терморезисторы, применяемые для измерения температуры, – пример таких преобразователей. 4.2. Масштабные измерительные преобразователи Масштабным называют измерительный преобразователь, предназначенный для изменения величины в заданное число раз. К ним относят шунты, делители напряжения, измерительные усилители, измерительные трансформаторы тока и напряжения. Для уменьшения силы тока в определенное число раз применяют шунты. Например, такая задача возникает в том случае, когда диапазон показаний амперметра меньше диапазона изменения измеряемого тока. Шунт представляет собой резистор, включаемый параллельно средству измерений, как показано на рис. 4.1. Если сопротивление шунта R ш = R /(n- 1), (4.1) где R – сопротивление средства измерений; n – коэффициент шунтирования, т.е. n = I 1/ I 2 ток I 2 в n раз меньше тока I 1.

Рис. 4.1. Схема включения измерительного механизма с шунтом

 

Для уменьшения напряжения в определенное число раз применяют делители напряжения, которые и в зависимости от рода напряжения могут быть выполнены на элементах, имеющих чисто активное сопротивление, емкостное или индуктивное сопротивление.

Для усиления сигналов постоянного и переменного тока, т. е. для расширения пределов измерения в сторону малых сигналов, применяют измерительные усилители. По диапазону частот усиливаемых сигналов измерительные усилители бывают для постоянного тока и напряжения, низкочастотными

(20 Гц –200 кГц), высокочастотными (до 250 МГц) и селективными, усиливающими сигналы в узкой полосе частот. Измерительные усилители выполняют с нормированной погрешностью коэффициента передачи.

Измерительные трансформаторы переменного тока

Измерительные трансформаторы токаи напряжения используют как преобразователи больших переменных токов и напряжений в относительно малые токи и напряжения, допустимые для измерений приборами с небольшими стандартными пределами измерения (например, 5А, 100В). Применением измерительных трансформаторов в цепях высокого напряжения достигается безопасность для персонала, обслуживающего приборы, тук как приборы при этом включаются в заземляемую цепь низкого напряжения (см. рис. 4.2).

Рис. 4.2. Схемы включения измерительных трансформаторов тока (а) и напряжения (б)

Рис. 4.3. Преобразователь Холла

Преобразователи на основе ядерного магнитного резонанса используют квантовое явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР), которым обладают материалы, содержащие ядра атомов, имеющих магнитный момент (например, вода, содержащая ядра атомов водорода). Если образец из такого материала поместить в измеряемое постоянное поле с индукцией В _– и, кроме того, воздействовать на него переменным высокочастотным магнитным полем с индукцией В _~, и изменяющейся частотой, то при некотором значении частоты f возникает резонансное поглощение высокочастотной энергии образцом. Эта частота равна

 

,

(4.5)

где – гиромагнитное отношение – величина, постоянная для данного вида атомов.

Принцип измерения индукции магнитного поля при помощи ЯМР – преобразователей ЯМРП иллюстрируется рис. 4.4. Образец (ампула с водой) помещенная внутрь катушки К. Катушка подключена к высокочастотному генератору G, поэтому вдоль ее оси возбуждается высоко–частотное магнитное поле В _~. При измерениях индукции постоянного магнитного поля B_ поле В_~ должно быть расположено перпендикулярно ему. Плавное изменение частоты генератора G позволяет установить частоту f, на которой имеет место ядерный магнитный резонанс и рост поглощения высокочастотной энергии ядрами вещества. При резонансе напряжение на зажимах катушки К уменьшается, что фиксируется на экране осциллографа. Резонансная частота f измеряется цифровым частотомером Hz. Тесламетры с ЯМР – преобразователями обладают высокой точностью, (грешность может не превышать 10^-4 %) и широким диапазоном измерений (10^-5 – 10² Тл).

 

 

Рис. 4.4. Преобразователь на основе ядерного магнитного резонанса:

К - намагничивающая катушка; G - ВЧ генератор; Hz - частотомер.

 

1.

2.

3.

3.1.

3.2.

3.3.

Реостатные преобразователи

Реостатный преобразователь – это прецизионный реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой величины. Входной величиной преобразователя является угловое (линейное) перемещение движка, выходной – изменение его сопротивления.

Устройство преобразователя показано на рис. 4.5. Он состоит из каркаса 1, на который намотан провод 2, изготовленный из материала с высоким удельным сопротивлением, и токосъемного движка 3, укрепленного на оси 4. Движок касается провода 2. Для обеспечения электрического контакта в месте касания обмотка зачищается от изоляции. В показанной конструкции контакт с подвижным движком осуществляется с помощью неподвижного токосъемного кольца 5.

 

 

 

Рис. 4.5. Реостатный преобразователь:

1- каркас; 2- провод с высоким удельным сопротивлением; 3- токосъемный движок; 4- ось вращения; 5- токосъемное кольцо.

 

В измерительной технике требуются реостатные преобразователи, как с линейной, так и с нелинейной функцией преобразования. Одним из способов построения преобразователей с нелинейной функцией преобразования R = f (x) (рис. 4.6 а) является использование каркаса с переменной высотой (рис. 4.6 б).

 

Рис. 4.6. Реостатный преобразователь с нелинейной функцией преобразования

 

При перемещении движка вдоль каркаса на величину шага обмотки сопротивление изменяется на

 

,

(4.6)

где dR / dx – производная требуемой функции преобразования R = f (x) по перемещению движка х. При перемещении движка с одного витка на другой сопротивление изменяется на величину

,

(4.7)

где – сопротивление единицы длины провода; – длина одного витка провода; h – высота каркаса; b – его толщина.

Рис. 4.7. Тензорезисторный преобразователь

Фольговые тензорезисторы представляют собой тонкую лаковую пленку, на которую нанесена фольговая тензочувствительная решетка из константана толщиной 4 – 12 мкм (рис. 4. 7). Решетка сверху покрыта лаком. Фольговые тензорезисторы нечувствительны к поперечной деформации вследствие малого сопротивления перемычек, соединяющих тензочувствительные элементы.

Проволочный тензорезистор имеет аналогичное устройство, но его решетка выполнена из константановой проволоки толщиной 20–50 мкм.
По метрологическим и эксплуатационным характеристикам проволочные преобразователи уступают фольговым.

Емкостные преобразователи

Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор, электрические параметры которого изменяются под действием входной величины.

Конденсатор состоит из двух электродов, к которым подсоединены выводные концы. Пространство между электродами заполнено диэлектриком. При изменении взаимного положения электродов или при изменении диэлектрической проницаемости среды, заполняющей межэлектродное пространство, изменяется емкость конденсатора.

В качестве емкостного преобразователя широко используется плоский конденсатор. Его емкость определяется выражением

,

(4.10)

где – расстояние между электродами; S_c – их площадь; -электрическая постоянная; – относительная проницаемость диэлектрика.

Изменение любого из этих параметров изменяет емкость конденсатора.

У преобразователя с прямоугольными электродами (рис. 4.8, а) и имеется некоторый диапазон перемещения пластин х, в котором емкость линейно зависит от х (рис. 4.8, б). Линейная зависимость искажается вследствие краевого эффекта. В области линейной зависимости чувствительность такого преобразователя

(4.11)

постоянна и увеличивается с уменьшением расстояния между электродами .

 

 

Рис. 4.8. Емкостный преобразователь:

а – конструкция; б – график функции преобразования.

Индуктивные преобразователи

Индуктивный преобразователь представляет собой катушку индуктивности (дроссель), полное сопротивление которой изменяется при взаимном относительном перемещении элементов магнитопровода. Имеются две группы преобразователей: с изменяющейся индуктивностью и с изменяющимся активным сопротивлением. Пример схемы преобразователя первой группы показан на рис. 4.9, а. Преобразователь состоит из П-образного магнитопровода 1, на котором размещена электрическая катушка 2, и подвижного якоря 3. При перемещении якоря изменяется длина воздушного зазора и, следовательно, магнитное сопротивление, что вызывает изменение индуктивности дросселя.

Другая широко используемая модификация (плунжерный преобразователь) показана на рис. 4.9, б. Преобразователь представляет собой электрическую катушку 1, из которой может выдвигаться ферромагнитный сердечник 2 (плунжер). При среднем положении плунжера индуктивность максимальна.

 

 

Рис. 4.9. Индуктивные преобразователи:

а) 1- П-образный магнитопровод; 2- электрическая катушка; 3- подвижный якорь;

б) 1- электрическая катушка; 2- якорь(плунжер);

в) 1- С-образный магнитопровод; 2- пластина; 3- электрическая катушка.

 

Схема преобразователя второй группы приведена на рис. 4.9, в. В зазор магнитной цепи 1 вводится пластинка 2 с высокой электропроводностью, в которой наводятся вихревые токи, приводящие к увеличению потерь активной мощности катушки 3. Это эквивалентно увеличению ее активного сопротивления.

Рис. 4.11. Пример индукционного преобразователя

 

При движении катушки с изменением x изменяется площадь катушки, находящейся в магнитном поле, . Это приводит к изменению потокосцепления , и в катушке наводится ЭДС

.

(4.16)

Индукционные преобразователи служат для преобразования линейной или угловой скорости перемещения катушки относительно магнитного поля в ЭДС. Они являются генераторными преобразователями и преобразуют механическую энергию в электрическую.

Рис. 4.12. Магнитоупругие преобразователи

 

Терморезисторы

Терморезистором называется измерительный преобразователь, активное сопротивление которого изменяется при изменении температуры. В качестве терморезистора может использоваться металлический или полупроводниковый резистор.

Датчики температуры с терморезисторами называются термометрами сопротивления.

Имеются два вида терморезисторов: металлические и полупроводниковые.

Как известно, сопротивление металлов увеличивается с увеличением температуры. Для изготовления металлических терморезисторов обычно применяются медь или платина.

Функция преобразования медного терморезистора линейна:

,

(4.19)

где R ₀ – сопротивление при 0°С; = – температурный коэффициент.

Чувствительный элемент полупроводникового терморезистора – термистора – изготавливается из окислов различных металлов: меди, кобальта, магния, марганца и др. Размолотые в мелкий порошок компоненты прессуются и спекаются в виде столбика, шарика или шайбы. В надлежащих местах напыляются электроды и подпаиваются выводы из медной проволоки. Для предохранения от атмосферных воздействий чувствительный элемент термистора покрывают защитной краской, помещают в герметизирующий металлический корпус или запаивают в стекло.

С увеличением температуры сопротивление термисторов уменьшается. Их функцию преобразования обычно аппроксимируют выражением

,

(4.20)

где R _t – сопротивление термистора при температуре Т в Кельвинах; А и В – постоянные, зависящие от материала и технологии, причем А зависит, кроме того, от размеров термистора и его формы.

 

Рис. 5.4. Интегрирование входного тока МЭИМ

= (5.5)

Достоинства МЭИМ. К наиболее существенным достоинствам МЭИМ относятся:

а) высокая точность;

б) высокая чувствительность;

в) равномерность шкалы(функция преобразования МЭИМ является пропорциональной зависимостью).

Большинство из указанных достоинств связано с тем, что индукция в зазоре имеет высокое значение (В=0.5...1.5 Тл), число витков составляет значительную величину: N=100..500. При этом магнитная индукция практически не изменяется в рабочей области воздушного зазора.

Недостатки МЭИМ. Несмотря на существенные достоинства, МЭИМ имеет ряд недостатков:

а) невозможность измерения переменного тока;

б) малая перегрузочная способность;

в) относительная сложность конструкции механизма.

Области использования МЭИМ. МЭИМ широко используются в таких приборах как амперметры и вольтметры постоянного тока, омметры и гальванометры (предназначены для измерения количества электричества), а так же в ряде приборов с преобразованием рода тока:

-приборы с выпрямлением переменного тока с помощью диодов (выпрямительные приборы);

-термоэлектрические приборы, в которых для преобразования переменного тока используются термопары;

-электронные вольтметры, в которых переменный ток преобразуется полупроводниковыми схемами в постоянный ток.

Точность МЭИМ. Классы точности приборов с использованием МЭИМ: (0.05); 0.1; 0.2; 0.5;1.0.

Рис. 5.7. Схема выпрямительного амперметра с шунтом.

 

Для расширения пределов измерения в выпрямительных амперметрах используются шунты PS (рис. 5.7.), а в вольтметрах добавочные рези­сторы (рис. 5.8., а) и делители напряжения (рис. 5.8., б). Делители напряжения для

выпрямительных вольтмет­ров обычно выполняются на резисторах. Коэффициент деления, равный отношению выходного и входного напряжений, опреде­ляется выражением U = R1/(R1 + R2), которое справедливо, если сопротивление резисторов R2 много больше

входного со­противления выпрямительного прибора, под­ключенного к делителю.

К достоинствам выпрямительных при­боров относятся высокая чувствительность, компактность, большой частотный диапазон;

к недостаткам — малая точность (класс точности 1,5; 2,5; 4,0), зависи­мость показаний от формы кривой тока, существенное влияние темпе­ратуры.

Выпрямительные приборы применяются для измерений тока, напря­жения, сопротивления и других параметров в цепях промышленной и повышенной (до десятков и сотен килогерц) частот. Они часто выпол­няются в виде многопредельных комбинированных приборов, удобных в лабораторной практике.

а) б)

 

Рис. 5.8. Схемы выпрямительных вольтметров:

а) с добавочным сопротивлением; б) с делителем напряжения.

 

Термоэлектрические приборы. Термоэлектрические приборы состоят из термоэлектрического преобразователя, преобразующего измеряемый переменный ток высокой частоты в постоянное напряжение, и магни­тоэлектрического измерительного механизма, проградуированного в значениях измеряемого тока (рис. 5.9.).

 

а) б)

Рис. 5.9. Термоэлектрические приборы:

а) контактный; б) бесконтактный (1- нагреватель; 2- термопара; 3- элекроизоляционный теплопроводный элемент);

Термопреобразователь включает в себя нагреватель 1, по которому проходит, выделяя тепло, измеряемый ток I, и термопару 2, находящую­ся в тепловом контакте с нагревателем, Постоянное напряжение, вы­рабатываемое термопарой, воздействует на магнитоэлектрический мик­роамперметр.

Различают контактные (рис. 5.9., а) и бесконтактные (рис. 5.9., б) термопреобразователи. В первом случае термопара имеет электрический контакт с нагревателем (ее спай приварен непосредственно к нагрева­телю), а во втором имеется только тепловой контакт нагревателя и тер­мопары через изолирующий материал, обладающий хорошей тепло­проводностью (стекло, керамика). Контактные термопреобразователи менее инерционны, чем бесконтактные, но они допускают большую утечку токов