Электроизмерительные приборы

 

Содержание

измерительный электрический прибор компьютер

Вступление

. Цели и задачи практики

. Краткие сведения о кафедре ИИСТ

. Краткие сведения об истории развития электроприборостроения и российской метрологии

. Метрологическая служба, ее структура и функции на заводе, предприятии или организации

. Электроизмерительные приборы. Основные термины и главные инженерные должности в приборостроении

. Краткие сведения о классификации средств измерения электрических величин

. Аналоговые измерительные приборы. Общие детали устройства. Условные обозначения принципа действия прибора

. Требования, предъявляемые к приборам, погрешности

. Магнитоэлектрические (МЭ) измерительные приборы

. Приборы для измерения магнитных величин

. Электромагнитные (ЭМ) измерительные приборы

. Электродинамические (ЭД) измерительные приборы

. Ферродинамические (ФД) измерительные механизмы

. Электростатические (ЭС) измерительные приборы

. Индукционные измерительные приборы

. Цифровые приборы

. Косвенные методы измерения. Измерительные преобразователи

. Информационно-измерительные системы

. Персональный компьютер в измерительной технике

. Статистическая обработка результатов прямых многократных измерений во время вычислительной практики

. Приборы, используемые для практических работ во время прохождения вычислительной практики. Основные правила по технике безопасности при работе с электроизмерительными приборами

Заключение

Список литературы

Приложение

Вступление

В соответствии с квалификационной характеристикой бакалавра по направлению 20010062 "Приборостроение" выпускники ВУЗа должны обладать фундаментальной и специальной подготовкой позволяющей им выполнять следующие виды профессиональной деятельности:

·проекторно-конструкторская;

·производственно-управленческая;

·В связи с этим при прохождении практики студенты должны:

·Ознакомиться с организацией и охраной труда;

·Научиться использовать теоретическое положения при разработке методов и средств измерения и контроля, изготовления и применения приборов, аппаратов преобразователей и систем в промышленности;

·Выполнять индивидуальные задания руководителей практики.

Вычислительная практика представляет собой вид учебных занятий, непосредственно ориентированных на профессионально-практическую подготовку обучающихся. Учебная и вычислительная практика в целом направленна на обеспечение непрерывности и последовательности овладения студентами умениями и навыками профессиональной деятельности, которая проводится в соответствии с учебным планом с 29.06 по 12.07.2014 г. и является неотъемлемой частью учебного процесса подготовки бакалавров по направлению 20010062 "Приборостроение".

Перед прохождением практики студенты обязаны пройти инструктаж о порядке прохождения практики и общий инструктаж по технике безопасности и охране труда с росписью в регистрационном журнале.

За время вычислительной практики первокурсник знакомится с историей становления и развития кафедры, профессорско-преподавательским и учебно-вспомогательным составом кафедры, а так же с учебными специализированными лабораториями и структурой кафедры ИИСТ.

При обработке измерительной информации, применив программу MS Excel, являющуюся мощным инструментом решения вычислительных инженерных задач, студент- первокурсник знакомится с обработкой табличных данных и работой с несложными базами данных. Т.к. вычислительная практика 1 проводится во втором семестре, то теоретическую базу составляют знания, полученные в ходе изучения таких дисциплин, как "Информатика", "Программирование на языках высокого уровня", "Введение в специальность". Во время прохождения ознакомительной практики студенты получают первичные профессиональные умения и навыки и готовятся к осознанному и углубленному изучению дальнейших дисциплин профессионального цикла, получают практические и профессиональные знания по избранной специальности. В ходе практики предполагается: знакомство с возможностями современных компьютерных технологий и их применением при решении технических задач; закрепление навыков работы в среде Windows и других прикладных программ; знакомство с работой в сети Интернет. Полученные навыки будут использованы в ходе освоения следующих дисциплин: "Физические основы получения информации", "Компьютерные технологии в приборостроении" и др.

Практическую помощь в написании данного отчета об ознакомительно-вычислительной практике оказал во время консультаций, заведующий лабораториями кафедры ИИСТ Николай Максимович Важинский - старейший работник кафедры, Ветеран труда, "Почетный работник высшего профессионального образования Российской Федерации".

1. Цели и задачи практики

Целями и задачами вычислительной практики студентов 1-го курса являются: ознакомление со структурой и функциональным назначением измерительных приборов и информационно-измерительных систем, с методами, средствами и практикой применения измерительных приборов и систем, с применением вычислительной техники в измерительных системах и при обработке измерительной информации.

В результате прохождения практики студент должен знать:

¾тенденции и перспективы развития измерительной техники;

¾структуру и функциональное назначение измерительных приборов и информационно-измерительных систем;

¾методы, средства и практику применения измерительных приборов в различных областях техники;

¾способы определения погрешностей приборов;

¾Структуру и состав ПК;

¾Классы точности, нормированные и действительные характеристики приборов;

¾Историю создания и развития кафедры ИИСТ.

Уметь:

¾проводить измерения электрических величин;

¾определять погрешности средств измерения(СИ);

¾применять средства вычислительной техники при обработке результатов измерения;

¾составлять и отлаживать программы на языках высокого уровня;

¾правильно проводить измерения физических величин и точно получать количественную информацию о ней.

Владеть:

¾навыками работы в среде Windows;

¾средствами поиска информации в Интернете;

¾методами и средствами разработки и отладки программного обеспечения;

¾методами статистической обработки результатов измерения;

¾расширенным знакомством с терминологией в среде Windows, системе ЭВМ и ПК;

¾общими сведениями, относящимися к основополагающим понятиям информатики, информационных процессов и информационных технологий.

Оформленный по стандарту (6) отчет и дневник о практике является основными документами, подтверждающими выполнение программы практики. Отчет и дневник представляются на рецензию руководителю практики, который оценивает отчет о практике и записывает в дневник отзыв- характеристику деятельности и дисциплины студента.

По итогам вычислительной практики 1 проводится аттестация с оценкой.

Оценка результатов прохождения студентами практики учитывается при рассмотрении вопроса о назначении стипендии в следующем семестре.

. Краткие сведения о кафедре ИИСТ

Днем основания кафедры считается 14.09.1949 г. В те далёкие послевоенные годы, в связи с острой необходимостью для народного хозяйства страны инженеров-измеренцев, по приказу мин. образования набрали на 1 курс 28 студентов. Студенты и сотрудники кафедры всегда занимали активную жизненную позицию, как в овладении научных знаний , так и в выполнении общественно -полезных работ. Хорошие отношения между сотрудниками кафедры передавались и студенческому коллективу, об этом свидетельствует хотя бы тот факт, что через каждые 5 лет после окончания учебы в университете выпускники собираются на кафедре, приглашают на встречу своих преподавателей и совместно обсуждают жизненный и творческий путь, всех участников встречи. Значительный период деятельности кафедры в 70-х годах прошлого века связан с организацией и участием сотрудников и студентов в стройотрядах, трудовых лагерях и других полезных общественных объединениях. Кафедру ИИСТ можно считать спортивной, где с середины прошлого века начал развиваться туризм, велосипедные горные походы, горные лыжи, подводный спорт, волейбол, охота и рыболовство, многие сотрудники являются авто кино и фото любителями. На протяжении всей истории кафедра активно вела научно-исследовательскую работу по общему направлению: "Теория и принципы построения информационно-измерительных систем". На кафедре работали, работают и пользуются глубоким уважением участники ВОВ.

Кафедра с университетом и страной прошла славный 65-летний путь своего развития. За этот период деятельности она внесла весомый вклад в дело подготовки кадров для народного хозяйства, растила ученых, обогащала науку новыми открытиями.

На протяжении времени, т.е. на разных временных отрезках неоднократно кафедра называлась по-разному, соответственно менялись названия специальностей, по которым готовились инженерные кадры, сейчас утверждено название "Информационно измерительные системы и технологии" (ИИСТ) На кафедре за прошедшие годы выпущено более 2000 инженеров. Примечательно отметить, что с красным дипломом выпущено около трехсот инженеров и отдавая дань уважения студентам, защитившим дипломы с отличием, всех их занесли навечно в Историю кафедры. Фактическим подтверждением большого интереса студента, избранной специальности является диплом с отличием и это подтверждается при защите дипломных проектов. Так, например, в первом выпуске было 8 отличников, во втором -17, в третьем-22, в четвертом-10, и т. д. Среди выпускников были Герои социалистического труда, доктора технических наук, почетные и заслуженные страной люди, например, министр приборостроения СССР, лауреаты Государственной премии, лауреаты премии Ленинского комсомола, и многие другие заслуженные люди СССР и России. В числе выпускников прошлых лет; имеющих диплом нашей кафедры, есть писатели, артисты, спортсмены, военачальники, полицейские, школьные учителя, священнослужители, партийные и государственные руководители, мэры городов и главы районных администраций, руководители крупных заводов, сельскохозяйственных и строительных предприятий, крупных птицефабрик и машинотракторных станций, представители крупного бизнеса, живущие как в России и странах СНГ, так и в других странах мира (Австралия, Америка, Канада, Израиль и др.). Выпускники кафедры работают на приборостроительных заводах в крупном бизнесе, в турагентствах, в том числе и за рубежом. На кафедре в разные годы обучались студенты иностранных государств. Это подтверждает универсальность получаемых дипломов и интерес к избранным специальностям. В 2009 году 14 сентября кафедра отметила свой 60-летний юбилей. За это время на кафедре защищено более четырех десятков кандидатских диссертаций и пять докторских - это В.Е. Шукшунов, Н.Ф. Никитенко, Е.В. Кириевский, В.В. Гречихин и Н.И. Горбатенко, ныне заведующий кафедрой и первый проректор университета, д.т.н., профессор, академик Академии Медико-технических наук РФ, почётный академик Саксонской академии наук (Германия). Для обеспечения учебного процесса по основным дисциплинам, на кафедре ИИСТ создан высоко-эрудированный, грамотный и доброжелательный дружный коллектив ППС. Большую помощь в поддержании чистоты и порядка в лабораториях кафедры, в создании лабораторных установок и стендов, печатания и размножения инструкций к лабораторным работам методических указаний и учебных пособий, оказывают сотрудники штата УВП. Кафедра ИИСТ занимает на 2-х этажах ФИТУ площадь 550 м2. На кафедре обучается около 500 человек, в том числе иностранные студенты и аспиранты. Эта численность составляет около 50% всего контингента студентов ФИТУ.

Кафедра принимает абитуриентов для подготовки на бюджетной основе бакалавров по направлениям:

Приборостроение;

Информационные системы и технологии;

Прикладная информатика;

Магистров по всем направлениям.

Направление 20010062 "Приборостроение".

Объектами профессиональной деятельности выпускников данного направления являются: измерительно-вычислительные комплексы для диагностирования состояния различных объектов; информационно-измерительные системы для контроля параметров технологических процессов и объектов в различных отраслях промышленности, медицины и науки; приборы общего и специального назначения со встроенными микропроцессами для измерения различных физических величин. Выпускники работают на приборостроительных предприятиях, разрабатывающих и изготавливающих средства измерительной техники; в различных отраслях промышленности в службах автоматизации технологических процессов, в медицинских учреждениях, на транспорте, в сфере обслуживания, то есть там, где применяются средства измерения, контроля и диагностики - везде. Для закрепления знаний и профессиональных навыков студенты кафедры проходят практику на ведущих предприятиях России и Германии, проектирующих, выпускающих и обслуживающих современную информационно- измерительную технику.

Магистратура по направлению 20010068 "Приборостроение" позволяет овладеть на основе базового высшего образования системы специальных знаний и методологией инженерной и научно-исследовательской деятельности, достаточных для самостоятельного выполнения инновационных проектов и исследовательских работ, а также для преподавательской деятельности в высших учебных заведениях.

В рамках развития направления обучения "Приборостроение" на кафедре ИИСТ открыт Образовательный Центр National Instruments, основным направлением деятельности которого является сертифицированное обучение студентов и специалистов. В настоящее время Центр сотрудничает с ведущим производителем программного и аппаратного обеспечения в области контрольно-измерительной техники - фирмой "National Instruments" (США). Студенты знакомятся с передовыми решениями для диагностики и контроля в области автоматики, систем реального времени, энергетики, строительства, робототехники. Дополнительное обучение на сертификационных курсах представляет возможность студентам получить международный сертификат от компании National Instruments.

На кафедре учебный процесс ведут высококвалифицированные преподаватели, в том числе 7 профессоров, докторов наук, 25 доцентов, кандидатов наук.

Кафедра ИИСТ имеет многолетние связи в области образования и науки с ведущими техническими университетами Германии. Ежегодно более 15 студентов и аспирантов кафедры проходят стажировки в университетах Мюнхена, Дортмунда, Ильменау, Брауншвайга.

На кафедре ИИСТ успешно действует эффективная система организации научно-исследовательской работы студентов. Ежегодно студенты кафедры номинируются и получают значительное число отечественных и зарубежных именных стипендий: губернатора РО, президента РФ, Л. Эйлера, М. Ломоносова. Выпускники кафедры имеют возможность продолжить научную работу в магистратуре и аспирантуре. Ежегодно на кафедре обучаются около 20 аспирантов и докторантов.

Все желающие студенты обеспечиваются общежитиями.

Выпускников кафедры ждут крупные предприятия региона: "ПК "НЭВЗ" (Новочеркасск); "Новочеркасская ГРЭС"; "ИНИС" (Новочеркасск); "ВЭлНИИ" (Новочеркасск); СКВ "Граф" (Новочеркасск); "Ирис" (Новочеркасск) "Роствертол" (Ростов-на-Дону); "Ростсельмаш" (Ростов-на-Дону); "Программные технологии" (Таганрог); "МВ-офисная техника" (Ростов-на-Дону) и др. Многие из них работают на ведущих московских предприятиях: "Эрикс - сон Корпорация АО", "Диасофт", "Информационные бизнес - системы", "Российская Электроника", "CBOSS", "Банкс софт системе", "Автоконсалтинг Плюс", "Котур Компонент", "1RPTechnology", "IntellSoft", НИИ "СИС" и др.

. Краткие сведения об истории развития электроприборостроения и российской метрологии

Мощным развитием отечественного приборостроения считают вторую половину ХХ века. В настоящее время обеспечиваются измерения более 800 электрических величин с помощью электроизмерительных приборов, аппаратов и установок более чем 2500 типов. Ежегодно в нашей стране выпускалось более 160 млн. электроизмерительных приборов, которые эксплуатируются до настоящего времени. Эти приборы выпускались следующими основными приборостроительными заводами:

.Витебский завод электроизмерительных приборов им. 60-летия Великого Октября (ВЗЭП).

.Ереванский завод "Электроприбор".

.Житомирский завод "Электроизмеритель" им. 50-летия СССР

.Киевский завод "Точэлектроприбор" им. Комсомола Украины

.Кишиневский завод "Микроприбор".

.Краснодарский завод измерительных приборов "ЗИП".

.Кишиневский завод "Электроприбор".

.Ленинградский завод "Вибратор", флагман отечественного приборостроения.

.Львовский завод электроизмерительных приборов.

.Московский завод "Энергоприбор".

.Невиномысский завод электроизмерительных приборов.

.Омский завод электроизмерительных приборов "Электроточприбор".

.Ставропольский завод "Энергомера".

.Уманьский завод "Мегомметр".

.Чебоксарский завод электроизмерительных приборов " ЧЗЭИП".

До настоящего времени приборы с логотипами данных заводов применяют в измерениях и контролируют технологические процессы на производстве. В настоящее время некоторые из перечисленных заводов прекратили своё существование.

Основателем российской метрологии является великий русский ученый-химик Д.И. Менделеев. Первым метрологическим учреждением России было ДЕПО образцовых мер и весов, организованное в 1835 году в Петрограде. В 1892 году Д.И. Менделеев приступил к исполнению обязанностей руководителя указанного ДЕПО. В 1893 году это ДЕПО преобразуется в Главную палату мер и весов. Этот год и считается началом развития российской метрологии. Менделеев создал ряд оригинальных измерительных приборов. Он пропагандировал и внедрял метрическую систему, внес неоценимый вклад в развитие теоретической и прикладной метрологии. В настоящее время на базе Главной палаты существует высшее научное метрологическое учреждение нашей страны HIIOBHИИМ им. Менделеева (г. Санкт-Петербург), вторым метрологическим учреждением является Всесоюзный научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФ-ТРИ), который был создан в 1955 году и находится в Москве. Кроме указанных Всесоюзных институтов в настоящее время работают научно-исследовательские метрологические институты в Харькове, Новосибирске, Свердловске. Тбилиси, Иркутске, Хабаровске и Львове. Руководство вышеуказанных метрологических учреждений поставили вопрос на Генеральной конференции по мерам и весам о международном сотрудничестве в области законодательной метрологии. В 1956 году была подписана межправительственная конвенция об учреждении Международной организации законодательной метрологии (МОЗМ). При МОЗМ в Париже работает Международное бюро законодательной метрологии. В 1958 году по инициативе научно-технических обществ ряда стран была создана Международная конференция по измерительной технике и приборостроению (ИМЕКО), объединяющая в настоящее время научно-технические общества по измерительной технике и приборостроению разных стран мира. ИМЕКО регулярно, один раз в три года, созывает международные конгрессы по измерительной технике и приборостроению. В промежутках между конгрессами проводятся симпозиумы по отдельным проблемам метрологии, измерительной технике и технологии приборостроения. Генеральный комитет ИМЕКО находится в Будапеште

. Метрологическая служба, ее структура и функции на заводе, предприятии или организации

Метрология-наука об измерениях. В практической жизни человек на каждом шагу имеет дело с измерениями, встречаются и известные измерения таких величин как длина, объем, вес, температура, скорость, ускорение, освещенность, влажность и др.

Измерения являются одним из важнейших путей познания природы человеком. Они дают полную характеристику окружающего мира, раскрывая человеку действующие в природе закономерности. Математика, физика, механика стали именоваться точными науками, потому что благодаря измерениям они получили возможность устанавливать точные количественные соотношения, выражающие объективные значения природы. Основатель Российской метрологии, Менделеев Д.И. выразил значения измерений для науки следующим образом: "Наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука не мыслима без меры". Все отрасли техники от строительной механики и приборостроения до ядерной энергетики и космоса не могли бы существовать без размерной системы измерений, определяющей как все технологические процессы, контроль и управление ими, так и свойства и качество выпускаемой продукции. Велико значение измерений в современном обществе. В настоящее время установлены следующие определения измерений:

Измерения - это нахождение значения физической величины опытным путем, с помощью специальных технических средств.

Простейшим примером измерения является определение с помощью микрометра диаметра обрабатываемого на токарном станке металлического стержня. Вместе с тем существуют и более сложные измерения, выполняемые с помощью комплекса специальных средств измерений. Ученые разработали целую науку об измерениях, которую назвали метрологией.

Метрология, в ее современном понимании, это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Велико практическое значение метрологии для народного хозяйства страны. Она служит научной основой измерительной техники. Под измерительной техникой понимают как все технические средства, с помощью которых выполняют измерения, так и технику проведения измерений.

Метрологическая служба (МС) предприятия (отдел главного метролога) создается для научно-технического и организационно-методического руководства работами по метрологическому обеспечению подразделения предприятия, а также для непосредственного выполнения работ по метрологическому обеспечению закрепленных за предприятием видов деятельности. Возглавляет метрологическую службу главный метролог, который подчиняется главному инженеру завода. Положение о метрологической службе предприятия разрабатывают на основе типового положения, шифр этого положения РД 50-54-87. Положение о ведомственной метрологической службе утверждается директором предприятия (завода).

Основными задачами метрологической службы являются:

обеспечение единства и требуемой точности измерений, повышения уровня метрологического обеспечения предприятия;

внедрение в практику современных методов и средств измерений, направленных на повышение уровня научных исследований, эффективности производства, повышение технического уровня и качества продукции и т.п.;

метрологическое обеспечение подготовки производства;

метрологическая экспертиза технических заданий, конструкторской и технологической документации и т.п.;

участие в аттестации исполнительных подразделений, в работе по подготовке выпускаемой продукции к аттестации качества;

метрологический контроль за разработкой, применением и ремонтом средств измерений, за внедрением и соблюдением метрологических правил и др.

Структурно МС показано на рисунке 1. Пример организационной структуры метрологической службы (МС) предприятия.

Рисунок - 1. Структура МС.

- главный инженер предприятия;

- отдел контрольных измерений. Начальник отдела - главный метролог предприятия;

- бюро измерительных приборов;

- центральная лаборатория измерительной техники;

- лаборатория разработки не стандартизованных методов и средств измерения (СИ);

6- ремонтный цех или ремонтно-экспериментальные мастерские измерительной техники (ИТ) и средств автоматизации производства.

БИП - основные подразделения службы, ведающие учетом выдачи и приемки СИ, планированием поверочных и ремонтных работ, а так же отчетностью службы. В цехах и отделах предприятия могут быть контрольно-поверочные службы (КПС), которые должны работать в тесном контакте с БИП;

ЦЛИТ - осуществляет контроль и поверку СИ и может иметь лаборатории или отделения по видам измерений (линейных и угловых, электрических и магнитных,теплотехнических, акустических, радиотехнических, скорости и времени и т.д.);

ЛРСИ - создается по необходимости в зависимости от объема работ определенных положением о МС (может существовать в виде группы при начальнике ЦЛИТ).

РЦИТ - создается при организации ремонта СИ в зависимости от ожидаемого объема работ.

Регистрация предприятий на право изготовления, поверки и ремонта измерительных приборов (ИП) производится организацией государственного комитета по стандартам (ГОСТ). Регистрации подлежат предприятия, изготавливающие СИ на право серийного производства и выпуска обращения с предъявлением на гос- или ведомственную поверку;

ремонтирующие СИ для сторонних организаций или для собственных нужд на право выпуска СИ после ремонта с предъявление на гос. поверку;

эксплуатирующие СИ на право проведения, находящихся в эксплуатации и на хранении выпущенных после ремонта, выполненного для собственных нужд.

. Электроизмерительные приборы. Основные термины и главные инженерные должности в приборостроении

Термины являются смысловым ядром специального языка и передают основную содержательную информацию, что особенно важно и ценно при изучении конструкторско-технологических дисциплин дистанционным методом.

Приборостроение-область проектирования измерительных систем.

Приборостроительная специализация 20010062, предполагает в своих должностных категориях, в основном, такие заводские основные инженерные должности, как конструктор и технолог.

Конструктор - специалист разрабатывающий новые приборы. Он должен учитывать имеющиеся для изготовления материалы и оборудование, квалификации рабочих, занятых на данном предприятии и многие другие вопросы определяющие экономичность и рентабельность прибора.

Технолог-специалист, основной задачей которого является разработка и внедрение технологических процессов, а так же выпуск необходимой для этого технологической документации. ГОСТ 2.1102-74 предусматривает следующие виды основной технологической документации: маршрутная и операционная карты, карта эскизов и схем, спецификация технических документов, технологическая инструкция, материальная ведомость, ведомость оснастки.

Конструктор и технолог, а так же конструкторские и технологические подразделения приборостроительных заводов взаимодействуют с самых ранних этапов разработки до внедрения приборов в производство и эксплуатацию. Под электроконструкторами подразумевают инженерно-технических работников, которые заняты теоретическими работами и исследованиями в области конструкции приборов, проектированием или синтезом конструкций и их испытаниями, составлением конструкторской документации и решением вопросов по конструкциям, возникающих в процессе производства и эксплуатации.

Прибор - устройство, служащее для выполнения функций измерения, контроля, регулирования, уравнения, вычисления и т д.

Прибор измерительный - измерительный механизм в совокупности с конструктивными элементами и отдельными принадлежностями.

Прибор измерительный астатический - разновидность конструкций измерительного прибора, отличающаяся наличием двух одинаковых механически связанных измерительных механизмов, имеющих целью исключить влияние внешних однородных магнитных полей.

Прибор интегрирующий (суммирующий) - прибор, дающий суммарные числовые значения измеряемой величины, определяемое по его некоторому механизму.

Прибор измерительный стационарный - ИП, предназначенный для эксплуатации на месте монтажа.

Прибор измерительный электронный - ИП, в котором процесс измерения осуществляется посредством электронных схем.

Прибор непосредственной оценки - ИП, дающий численное значение измеряемой величины по его отсчетному приспособлению.

Прибор регистрирующий - ИП, для последующего или продолжительного изучения и обработки измерительной информации.

Прибор самопишущий регистрирующий - прибор, осуществляющий запись ,формы измеряемых величин или их функциональную зависимость в виде диаграммы на материальном носителе.

Конструирование - это процесс выбора структуры пространственных и энергетических взаимосвязей и связей с окружающей средой и объектами физических тел, их величин, пользуясь которыми можно изготовить изделие, отвечающее заданным требованиям.

Технология - это процесс изготовления изделия, заданного качества в установленном производственной программой количестве при наименьшей себестоимости.

Измерительная система - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого пространства(среды, объекта и т.п.) с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому пространству.

Проектирование - есть разработка основных показателей и путей их практического осуществления. Конструируя средства измерения, инженер-конструктор должен базироваться на знании ряда научных дисциплин таких как: теория приборов, метрология, теория измерительных систем, теория надежности, эргономика, технологическая эстетика, а также на комплексе практических знаний и навыков, постигаемых на опыте. Качество измерительного прибора сконструированного технологически грамотно должно быть обусловлено рядом основных факторов: механических, электрических, эргономических, основанных на здравом и практическом опыте. Конструируя прибор, необходимо руководствоваться ЕСКД (единая система конструкторской документации). Она устанавливает общие положения по целевому назначению, области распространения, классификацию и обозначение стандартов. ЕСКД - это комплекс государственных стандартов, устанавливающих взаимосвязанные правила и положения по порядку разработки, оформления и обращения конструкторской документации, разрабатываемой и применяемой организациями и предприятиями страны. На конструируемый прибор распространяется патентоспособность и патентная чистота.

Патентность при разработке прибора - это свойство технических разработок, находящихся под охраной международного авторского права, если они обладают новизной, полезностью и юридически соответственно оформлены. Процесс конструирования тесно связан с техническим творчеством и изобретательностью, изучением патентной информации и отбора патентных формуляров.

Патентная чистота, есть юридическое свойство прибора, заключающееся в том, что он не попадает под патенты, действующие в определенной стране. Наряду с этим существует понятие патентоспособность - возможность технического решения быть запатентованным в качестве изобретения в определенных странах, т.е. наличие существенной новизны и полезности.

В государственной системе измерений есть стандартное определение по ГОСТу измерению. Измерение-это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных средств измерения (технических). Известный российский метролог М.Ф. Маликов дал следующее определение (Измерение-) познавательный процесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной величины, с известной величиной принятой за единицу сравнения). По способу получения измеряемой величины, т.е. результата измерений, все измерения разделяются на прямые, косвенные, совокупные и совместные. Получить значение измеряемой величины возможно с помощью шкалы прибора.

Шкала электрического прибора представляет собой обычно белую поверхность с черными отметками. Деление шкалы - интервал между двумя соседними отрезками шкалы.

Характер шкалы - это функциональная зависимость ?=F (x) между линейными или угловыми расстояниями какой-либо отметки от начальной отметки шкалы, выраженной в долях всей длины шкалы и значением "Х" измеряемой величины, соответствующей этой отметке. Рабочая часть шкал - это длина, в пределах которой погрешности показаний не превышают значений, определяемых классом точности прибора.

Длина шкалы - расстояние между начальной и конечной отметками, отсчитанное по дуге шкалы или отрезку прямой, проходящей через середины всех самых коротких отметок.

Практически равномерная шкала- шкала, длина делений которой отличается друг от друга не более чем на 30% и имеет постоянную цену делений. Обычно это у приборов магнитоэлектрической системы.

Существенно неравномерная шкала- шкала с сужающими делениями, для которой значение выходного сигнала соответствует полу-сумме верхнего и нижнего пределов диапазона изменений входного сигнала и находится в интервале между 65-100% длины шкалы соответствующей диапазону изменений входного или выходного сигналов.

Степенная шкала - это шкала с расширяющимися или сужающимися делениями, отличная от шкал, указанных выше.

Двухсторонняя шкала - это шкала с нулевой отметкой, расположенной между начальной и конечной отметками. Она может быть симметричная и несимметричная.

Односторонняя шкала - шкала с нулевой отметкой, расположенной в начале или в конце шкалы.

. Краткие сведения о классификации средств измерения электрических величин

Средство измерения (СИ) - техническое устройство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики НМХ - т.е. характеристики, определяемые нормативно-технической документацией. К СИ можно отнести меры, системы, установки, измерительные преобразователи и приборы, высококачественные блоки питания и т.д.

Измерительные приборы (ИП) можно разделить по способу представления результатов измерения на аналоговые и цифровые, показывающие и регистрирующие; по методу измерений на приборы непосредственной оценки и приборы сравнения; по способу применения и по конструктивному исполнению на щитовые, переносные и стационарные; по точности измерений на измерительные с нормируемыми метрологическими характеристикам и индикаторы (указатели); по способу защиты прибора от внешних воздействий на обыкновенные, с повышенной точностью, тепло-, холодо- и влагоустойчивые, брызго-, газо,-, пылезащитные, герметичные, взрывобезопасные, тряско-, вибро- и ударопрочные; по способу создания противодействующего момента - на приборы с механическим или магнитным противодействием и приборы с противодействующим моментом на основе взаимодействия электромагнитных сил (логометры). По конструкции опор подвижной части - приборы с подвижной частью на кернах и подпятниках, на растяжках и подвесах; по габаритным размерам - на миниатюрные (до 5 мм по наличнику), малогабаритные (50-100 мм), средние (100-200 мм) и большие (свыше 200мм) (рис. 2). Эволюция и микроминиатюризация габаритных размеров, корпусов МЭ приборов показана на рисунке 2.

Рисунок 2 - Эволюция корпусов

По роду тока на приборы постоянного, переменного и постоянно-переменного тока; по принципу действия с учетом конструкции СИ на приборы с подвижными частями и без подвижных частей (электронные, оптоэлектронные); по степени защищенности прибора от внешних магнитных и электрических полей; по виду используемой энергии, положенной в основу работы прибора. Приборы можно разделить на следующие укрупненные классификационные группы: электромеханические, электротепловые, электрокинетические и электрохимические. Принцип действия электромеханических приборов основан на взаимодействии электрических токов, магнитных потоков, заряженных проводников, сердечников и их комбинаций. В электротепловых приборах используются зависимости от теплового расширения тел под воздействием электрического тока - удлинение проводника, изгиб биметаллической пластины и др.

Работа электрохимических приборов основана на разложении электролита под воздействием измеряемого тока и появлении ЭДС на электродах, помещенных в электролит. Допускается в приборах комбинация вышеприведенных принципов действия.

В повседневной практике мы используем классификацию приборов по роду измеряемой величины: вольтметры, амперметры, вебберметры, флюксметры, варметры, частотомеры, фарадометры и др.

. Аналоговые измерительные приборы. Общие детали устройства. Условные обозначения принципа действия прибора

Каждый показывающий измерительный прибор состоит из измерительного механизма со шкалой, успокоителя, элементов измерительной схемы и кожуха.

Ряд деталей является общим для большинства приборов. К таким деталям можно отнести кожух, шкалу, указательную стрелку, успокоитель, оси, подпятники, приспособление для создания противодействующего момента, корректор.

Кожух. Кожух прибора защищает внутренне устройство прибора от механических воздействий, повреждений и попадания пыли. Кожухи приборов изготовляются из железа, алюминия и его сплавов, меди, дерева, пластмассы и стекла. В зависимости от формы кожуха измерительные приборы делятся на круглые и прямоугольные. В зависимости от конструкции кожуха различают выступающие и утопленные приборы. Круглая форма кожуха является наиболее простой и наиболее распространённой. Площадь щита, занимаемая прибором, значительно лучше используется при прямоугольной форме прибора. Выступающие приборы целиком располагаются над поверхностью щита.

Приборы утопленного типа заделываются в панели распределительных щитов пультов и большей своей частью располагаются за панелями. Это создает единообразие, большую наглядность и удобство наблюдения за приборами. Установка приборов утопленного типа обходится значительно дороже установки выступающих приборов.

Шкала. Шкалой прибора называется поверхность с нанесёнными на неё отметками, параллельно которым перемещается конец указательной стрелки прибора. Отметки обозначают цифрами, указывающими число делений от начала шкалы или непосредственно значение измеряемой величины. Согласно ГОСТ расстояние между двумя смежными отметками шкалы должно быть: для приборов классов 0,1; 0,2 и 0,5 не меньше 0,6 и не больше 15 мм.

Шкалы приборов изготавливаются из листовой латуни, цинка, стали, изоляционных материалов, оклеиваются бумагой, на которой и наносятся деления шкалы. Изготовляются такие безбумажные шкалы, выполняемые разным образом. Например, гравировкой по металлу с последующим заполнением углублений краской или покрытием металлической или изоляционной поверхности шкалы белой нитрокраской с последующим нанесением отметок тушью.

Приборы классов 0,1; 0,2 и 0,5 снабжаются зеркальной шкалой (рисунок 3). В этом случае в шкале вырезается дугообразная полоса шириной около 0,5см, а с нижней стороны укрепляется зеркало, в котором отражается стрелка.

Рисунок- 3 Зеркальная шкала и ножевидная стрелка

Отсчет производится при том положении глаза, при котором стрелка закрывает своё изображение в зеркале.

Шкалы приборов бывают равномерными, или пропорциональными (рисунок 4), и неравномерными, (рисунок 5). Равномерной шкалой называется такая шкала, у которой расстояния между двумя смежными отметками равны между собой. Обычно стремятся получить шкалу прибора по возможности равномерной.

Рисунок 4 - Равномерная шкала

Рисунок 5 - Неравномерная шкала

Указательная стрелка. Указательная стрелка прибора изготовляется обычно из алюминия или его сплавов Она должна быть лёгкой и прочной. Конец стрелки у большинства приборов классов 0,1; 0,2 и 0,5 имеет вид ножа - ножевидная стрелка (рисунок 6). У приборов остальных классов наиболее часто применяются копьевидные стрелки (рисунок 7).

Рисунок 6 - Ножевидная стрелка

Рисунок 7 - Копьевидная стрелка

Приборы высокой чувствительности иногда снабжаются "теневой стрелкой" или внутренним световым указателем. На рисунке 8 дана схема такого устройства. Световой луч от лампы а, пройдя оптическую систему б и диафрагму в, после отражения в зеркале г подвижной части прибора попадает на шкалу д, давая на ней изображение светового пятна, на фоне которого резко вырисовывается тень копьевидной стрелки, укреплённой в отверстии диафрагмы. Поворот подвижной части вызывает соответствующее перемещение по шкале "теневой стрелки". Всё оптическое устройство помещается в корпусе прибора. В некоторых приборах применяется многократное отражение луча, что равносильно удлинению стрелки до 1-1,5 м.

Рисунок- 8 Устройство внутреннего светового указателя

Успокоитель. Все измерительные приборы снабжаются приспособлениями для успокоения колебаний подвижной части. Применяются воздушные или магнитоиндукционные успокоители (рисунок 9 и 10)

Воздушный успокоитель (рисунок 9а) состоит из закрытой камеры, внутри которой может перемещаться лёгкое крыло, связанное с подвижной частью прибора. При вращении подвижной части в камере по одну сторону крыла получается сжатие, по другую - разрежение воздуха. Разность давлений, направленная против движения крыла, пропорциональная скорости движения, оказывает тормозящее (успокаивающее) действие на колебание подвижной части прибора.

Несколько иная (поршневая) конструкция воздушного успокоителя дана на рисунке 9б.

Магнитоиндукционный успокоитель (рисунок 10) состоит из алюминиевого листочка а, закреплённого на оси прибора б и могущего перемещаться в магнитном поле постоянного магнита. При движении подвижной части в листочке будут индуктироваться вихревые токи. От взаимодействия этих токов с полем магнита (по закону Ленца) будет создаваться тормозящее усилие, успокаивающее колебание подвижной части прибора.

Рисунок 9 - Воздушный успокоитель

Рисунок 10 - Магнитоиндукционный успокоитель

Оси и подпятники. Почти у всех электроизмерительных приборов измеряемая величина вызывает поворот подвижной части. Ось, на которой укрепляется подвижная часть, представляет собой металлическую проволоку диаметром 1-2 мм.

Рисунок 11 - Оси измерительного механизма

Она оканчивается коническими остриями, которыми и укрепляется в подпятниках (рисунок - 11). Подпятники у более точных приборов изготовляются из камня (рубин, сапфир, корунд, агат), у менее точных - из твёрдой стали или фосфористой бронзы. Для уменьшения трения острия и подпятники хорошо полируются.

Рисунок 12 - Ось и подпятник прибора

Подпятник (рисунок - 12) укрепляется в упорном винте, который удерживается от вращения установочным стопорным винтом.

Устройства для получения противодействующего момента. Противодействующий момент в электроизмерительных приборах создаётся пружинами, растяжками или электромагнитными силами.

На рисунке 13 показана наиболее распространённая форма спиральной пружины.

Рисунок-13. Спиральная пружина упругих свойств

Удельный противодействующий момент такой пружины

где Е - модуль упругости материала;- длина развёрнутой пружины;- ширина ленты пружины;- толщина ленты пружины

Пружины изготовляются из оловянно-цинковой бронзы или из фосфористой бронзы. Пружины должны обладать постоянством.

Растяжки, на которых крепится подвижная часть прибора (рисунок 14), г - изготовляются из тех же материалов, что и пружины. Они имеют круглое или прямоугольное сечение. Растяжки применяются в приборах, в которых противодействующий момент относительно мал. В настоящее время выпускаются измерительные приборы магнитоэлектрической и электромагнитной систем на растяжках. Применение растяжек упрощает конструкцию прибора, в несколько раз уменьшает вес подвижной части, снижает мощность потерь и повышает коэффициент добротности. Подвижная часть измерительного механизма, противодействующий момент которого создаётся электромагнитными силами, имеет два рабочих элемента, укреплённых на одной оси (рисунок - 15).

Рис. 14 - Крепление подвижной части измерительного механизма на растяжках.

Моменты сил, действующих на рабочие элементы, направлены противоположно друг другу, т.е. если один из них является вращающим, то другой - противодействующим. Каждый из моментов зависит от тока. Подвижная часть такого измерительного механизма устанавливается в положение, при котором моменты уравновешивают друг друга. Угол отклонения подвижной части измерительного механизма будет зависеть от отношения токов в элементах (рамках). Такие измерительные механизмы, называемые логометрами, получили широкое применение.

Корректор (не показан) - приспособление, позволяющее устанавливать указательную стрелку (подвижную часть) прибора в нулевое положение. Корректор состоит из головки, выходящей наружу кожуха, при помощи которой можно несколько перемещать точку закрепления одной из спиральных пружин прибора и тем самым производить необходимую установку.

Арретир (не показан) - приспособление, позволяющее закреплять подвижную часть прибора в определённом положении, благодаря чему уменьшается возможность повреждения прибора при переноске и перевозке. В таблице-1 даны условные обозначения принципов действия аналоговых приборов, которые наносят на шкалу (циферблат) прибора.

Рисунок 15 - Вращающий и противодействующий, моменты электромагнитных сил.

Таблица-1

Тип прибораУсловное обозначение принципа действия приборас механическим противодействующим моментомбез механического противодействующего момента (логометры)Магнитоэлектрический с подвижной рамкойМагнитоэлектрический с подвижным магнитомЭлектромагнитныйЭлектродинамическийФерро динамическийИндукционныйЭлектростатическийВибрационный (язычковый)

. Требования, предъявляемые к приборам, погрешности

Классификация аналоговых приборов. Классы точности. Метрологические характеристики.

К электроизмерительным приборам предъявляются следующие основные требования:

1.Прибор должен быть по возможности точным; основная погрешность его не должна превышать значений, установленных ГОСТ 1845-52 для того класса, к которому прибор относится.

2.Величина погрешности прибора не должна изменяться с течением времени.

3.Дополнительные погрешности должны быть минимальными и, во всяком случае, не должны превышать значений, установленных ГОСТ 1845-52.

4.Мощность потерь в приборе должна быть мала.

5.Прибор должен давать возможность непосредственно отсчитывать измеряемую величину в установленных РФ единицах.

6.Шкала прибора должна быть, по возможности, равномерной.

7.Прибор должен обладать хорошим успокоением.

8.Прибор должен обладать хорошей изоляцией, удовлетворяющей требованиям ГОСТ 1845-52.

9.Прибор должен быть выносливым к перегрузкам.

10.Прибор должен быть простым в конструктивном отношении и, по возможности, дешёвым.

Классы точности приборов. Классом точности средства измерений (СИ) называют обобщённую их характеристику, определяемую пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а так же другими свойствами средства измерений влияющими на точность, значение которых устанавливаются в стандартах на отдельные виды СИ.

Согласно ГОСТ 1845-59 по точности приборы делятся на 8 классов:

,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Эти цифры наносят на циферблат прибора.

Если цифра находится в "", то это означает что класс точности определён по относительной погрешности с преобладанием мультипликативной составляющие, а если без "", то по приведённой погрешности с преобладанием аддитивной составляющей. Если "снизу" то класс точности рассчитан исходя из длины дуги на циферблате.

Допустимые значения основных погрешностей для отдельных классов точности даны в ГОСТ. Основная погрешность характеризует прибор, как таковой, и зависит только от внутренних свойств и состояния самого прибора.

Эта погрешность состоит из ряда составляющих погрешностей, главными из которых являются:

) погрешность от трения;

) погрешность от опрокидывания стрелки;

) погрешность от неуравновешенности;

) погрешность от неправильной градуировки и установки шкалы;

) погрешность от остаточной деформации пружин;

) погрешность отсчета;

) погрешность от внутренних электрических и магнитных полей.

Электромеханические приборы состоят из двух частей - подвижной и неподвижной, образующих измерительный механизм и измерительную цепь. Измерительный механизм предназначен для преобразования электрической энергии в механическую энергию перемещения подвижной части.

Момент, возникающий в измерительном механизме и стремящийся переместить подвижную часть (стрелку) называется вращающим моментом. Измерительная цепь прибора предназначена для преобразования измеряемой величины в величину, непосредственную.

В приборе должен создаваться противодействующий момент, иначе при любом значении прямой величины, отличном от нуля, стрелка прибора переместится на конец шкалы.

Противодействующий момент создается с помощью пружин и упругих растяжек.

Аналоговые приборы классифицируют по:

. Назначению;

. Классу точности;

. Принципу работы.

По принципу работы приборы могут быть следующих типов: магнитоэлектрические (МЭ), электромагнитные (ЭМ), электродинамические (ЭД), ферродинамические (ФД), электростатические (ЭС), индукционные (И), и др.

. Магнитоэлектрические (МЭ) измерительные приборы

Принцип действия МЭ приборов (рисунок 16 и 17.) основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля проводника, по которому протекает измеряемый ток.

Эти приборы работают в цепях постоянного тока.

Одним из основных уравнений, показывающих принцип работы аналоговых приборов, является уравнение шкалы, связывающее угол отклонения подвижной части с измеряемой величиной

?= (B*S*?*I)/W,

где

? - угол отклонения стрелки;

В - магнитная индукция в воздушном зазоре;- площадь сечения рамки;удельный противодействующий момент пружины;

? - количество витков в рамке.- измеряемый ток.

Рисунок 16 - Структурная схема МЭ прибора

1-Постоянный магнит;

-Рамка с током;

-Пружина;

-Стрелка;

-Шкала прибора

Анализируя данную формулу, видим, что ток, проходящий через катушку измеряется в первой степени, а это значит, что прибор МЭ системы реагирует на полярность включения в цепь.

Рисунок 17 - Устройство магнитоэлектрического прибора

На рисунке 17 показано устройство МЭ прибора с подвижным магнитом. Существует множество конструкций и типов МЭ приборов (около 30), причем как с внутренним, так и с наружным магнитопроводом из ферромагнитного материала - электротрансформаторной стали. Магнит литой. Ось - дюралюминиевая. Окончание оси - керн из спецсплава. Подпятник - агат, корунд, сапфир, рубин. Рамка изготавливается из тонкого медного или алюминиевого провода, который навивают на изолированный каркас, но бывают и бескаркасные рамки. Противодействующая пружина прибора состоит из фосфористой бронзы. Если этим прибором нужно измерить большой ток, то его необходимо включить параллельно шунту.

Достоинства: из-за того, что в конструкцию входит постоянный магнит, его собственное поле велико, поэтому на МЭ приборы внешние магнитные поля оказывают малое влияние. МЭ приборы обладают высоким классом точности, высокой чувствительностью. Шкала МЭ приборов равномерна. МЭ приборы являются самыми точными из всех аналоговых приборов. Недостатки: приборы предназначены только для измерения на постоянном токе. У них относительно сложная конструкция (крупногабаритные), низкая надежность, высокая цена, низкая перегрузочная способность из-за того, что измеряемая величина (ток) подводится к рамке непосредственно, через пружины или растяжки.

10. Приборы для измерения магнитных величин

Электрические явления неразрывно связаны с магнитными. Свойства ферромагнитных материалов широко используются в электротехнике, накладывая отпечаток на качество и характеристики электрических машин, аппаратов, приборов. Конструктор электроприборов не может обойтись без измерения магнитных величин (магнитного потока, магнитной индукции и т.д.), необходимых для изучения свойств ферромагнитных материалов. При изучении этих свойств и этих материалов нас интересует, во-первых, кривая намагничивания и петля Гистерезиса, во-вторых, величина потерь в стали при циклическом перемагничивании. Весьма важным так же является изучение свойств постоянных магнитов в связи с развитием приборостроения и производством электрооборудования, например для автомобильной, тракторной, авиационной, медицинской, космической промышленности, где постоянные магниты находят широкое применение. Магнитные величины можно определять с помощью различных методов, используя приборы веберметр, коэрцетиметр, феррометр,магнитометр, милиивеберметр, гистерезиметр, феррозонд, и др. Теоретической основой подобных методов является второе уравнение Максвелла , связывающее магнитное поле с полем электрическим, которые являются двумя проявлениями особого вида материи, именуемого электромагнитным полем. Рассмотрим работу флюксметра.

Для исследования магнитных полей, и особенно постоянных магнитов, часто применяется прибор флюксметр. Флюксметр представляет собой разновидность гальванометра магнитоэлектрической системы с ничтожно малым противодействующим моментом. На рисунке 18 дана схема флюксметра. В воздушном зазоре между полюсами постоянного магнита и стальным цилиндром на полуосях расположена подвижная рамка А флюксметра. На одной из полуосей укреплена указательная стрелка. Принцип работы флюксметра основан на установленном свойстве магнитного потока замкнутого контура в стремлении сохранять неизменной свою величину. Если к рамке флюксметра присоединить надетую на постоянный магнит измерительную катушку В (переключатель П в положении И), а затем быстро сдернуть ее с магнита, то в замкнутом контуре "измерительная катушка - рамка флюксметра произойдет уменьшение потокосцепления. Согласно сказанному выше это уменьшение магнитного потока, сцепленного с измерительной катушкой (контуром) вызовет поворот рамки флюксметра на угол а, при котором произойдет увеличение потокосцепления рамки флюксметра, компенсирующее уменьшение потокосцепления измерительной катушки.

Так как магнитное поле, в котором находится рамка, радиально-равномерное, то изменение потокосцепления его рамки определяется по формуле,

следовательно

где С - постоянная флюксметра, равная 10000мкс/дел; а - число делений шкалы, определяющее угол поворота подвижной части флюксметра.

Рисунок 18 - Принципиальная схема флюксметра

Использование гальваномагнитных эффектов. Для измерения магнитной индукции и напряженности магнитного поля в настоящее время используют эффект Холла и эффект Гаусса.

В приборе, реализующем эффект Холла, преобразователь представляет собой пластинку из полупроводника, по которой протекает ток I. При помещении этой пластинки в магнитное поле на боковых гранях ее возникает разность потенциалов - э. д. с. Холла Е.

Принципиальная схема прибора для измерения магнитной индукции, основанного на эффекте Холла, приведена на рисунке 19 . Обозначение на схеме: ПХ - преобразователь Холла; У - усилитель; И - указывающий прибор. Величина э. д. с. Холла связана с магнитной индукцией и током следующим соотношением:

=RxIB/h,

Где Е - э. д. с. Холла; I - сила тока; В - магнитная индукция (вектор ее должен быть перпендикулярен плоскости пластинки, либо будет измерена лишь нормальная составляющая вектора В); Rх - постоянная Холла; h - толщина пластинки.

В качестве материалов для преобразователей Холла используют германий, сурьмянистый индий и другие полупроводниковые материалы. Э. д. с. Холла обычно невелика. Так, например, чувствительность преобразователей из мышьяковистого индия колеблется в пределах от 3 105 до 8 106 мкВ/(А Т), то есть э. д. с.

Холла, возникающая на боковых гранях пластинки с током в 1А при помещении ее в поле с магнитной индукцией 1 Т, составляет от 3-105до8-106 мкВ. Поэтому в схеме прибора целесообразно (а иногда просто необходимо) использование усилителя. Для повышения точности в приборах, основанных на эффекте Холла, часто используется компенсационный метод измерения. Приборы, использующие эффект Холла, находят все более широкое распространение, так как они обладают рядом положительных свойств. Достаточно просты, имеют удовлетворительную точность - 1,0-3,0% (специальными мерами точность может быть доведена до 0,05%), позволяют измерять магнитную индукцию или напряженность в постоянных, переменных (в широком диапазоне частот) и импульсных магнитных полях. Измерительные преобразователи имеют малые размеры, что позволяет проводить измерение индукции в узких зазорах.

Одним из недостатков преобразователей Холла является значительная зависимость э. д. с. Холла от температуры. Для устранения этого явления термостатируют преобразователи либо применяют схемы температурной компенсации. Кроме того, ведется работа по улучшению характеристик преобразователей. В настоящее время уже получены образцы термостабильных преобразователей Холла с дрейфом нулевого сигнала не более 1 мкВ/°С и высокой чувствительностью порядка 2,5 В/(А-Т). В настоящее время известно значительное количество модификаций приборов, в которых использован эффект Холла.

Рисунок 20 - Микровеберметр Ф199

Любой прибор для измерения магнитных величин состоит из двух частей - измерительного преобразователя, назначением которого является преобразование магнитной величины в электрическую, и измерительного устройства для измерения этой величины. Основой для создания измерительных преобразователей магнитных величин служат разные физические явления, но главное - явление электромагнитной индукции. Вторая часть прибора для измерения магнитных величин может быть либо обычным прибором для измерения той или иной электрической величины, либо прибором со специальными характеристиками. В приборах и способах, использующих явление электромагнитной индукции, измерительным преобразователем служит катушка, витки которой сцепляются с магнитным потоком Ф (измеряется в Веберах). Катушки являются измерительным преобразователем, с помощью которого магнитные величины - магнитная индукция В, магнитный поток Ф, напряжённость магнитного поля Н - могут быть преобразованы в электрическую величину - ЭДС. В практике магнитных измерений подобные катушки называют измерительными катушками.

Прибор Микровебрметр Ф199 (рисунок 20) предназначен для измерения малых постоянных магнитных потоков и индукции в зазорах магнитных цепей.

Принцип действия. Схема электрическая структурная микровебрметра приведена на рисунке 21.По принципу действия микровебрметр представляет собой усилитель постоянного тока, охваченный цепью отрицательной обратной связи по производной, благодаря чему осуществляется интегрирование входного сигнала входной сигнал с катушки.

Рисунок 21 - Схема электрическая структурная микровебрметра: БП - блок питания, У - усилитель, ВК - выходной каскад, ЗУ - запоминающее устройство, ОУ - отсчетное устройство, ОС - цепь обратной связи.

Усилитель У микровебрметра представляет собой усилитель постоянного тока с двойным преобразованием - модуляцией - входного сигнала (МДМ). В модуляторе и демодуляторе применены полевые транзисторы, в тракте усиления - линейные интегральные микросхемы.

Выходной каскад ВК состоит из микросхемы. Коэффициент усиления каскада по постоянному току более 200, частотно-зависимая цепь отрицательной обратной связи обеспечивает дальнейшее подавление сигнала несущей частоты и стабилизацию режима по постоянному току.

Запоминающее устройство ЗУ состоит из микросхемы и включенной на ее входе интегрирующей цепи микросхема охвачена 100-процентной отрицательной обратной связью и работает как повторитель напряжения с высокой линейностью передаточной характеристики.

Отсчетное устройство ОУ - двухшкальный узкопрофильный со световым отсчетом М1633, класс точности 0,5, ток полного отклонения 100 мкА. Одна из шкал имеющая числовые отметки 25-0-25, используется при конечных значениях диапазонов измерения 25,250,2500 мкВб. Другая шкала имеет числовые отметки 50-0-50 и используется в остальных диапазонах. световой указатель появляется лишь на шкале, соответствующей выбранному с помощью переключателя S2 диапазону измерения. Цепь обратной связи ОС состоит из конденсатора и резистора. Благодаря этой цепи микровебрметр осуществляет интегрирование исходного сигнала. Постоянная времени цепи 500 мкс.

Цепь компенсации термо - ЭДС компенсация паразитных ЭДС во входной цепи микровеберметра (например термо - ЭДС), вызывающих сползание указателя , производится с помощью делителей напряжения и на резисторах ,питаемых от стабилизированного источника напряжением 11 В.

Блок питания. БП обеспечивает стабилизированные напряжения ±12,6 В для выходного каскада, оконечного каскада УПТ, генератора несущей частоты; 11В постоянного напряжения для питания схемы компенсации потенциальной составляющей смещения нуля модулятора и схемы компенсации паразитных ЭДС во входной цепи; 5В переменного напряжения для питания осветителей лампы отсчетного устройства.

Источник ±12,6 В состоит из двух компенсационных стабилизаторов на транзисторах, коэффициент стабилизации более 100, пульсация выходного напряжения не более 5мВ двойного амплитудного значения.

Источник 11В построен по схеме параметрического стабилизатора на стабилитронах и резисторах .входным напряжением для него является стабилизированное напряжение±12,6 В, поэтому общий коэффициент стабилизации около 2000.

Силовой трансформатор Т собран на магнитопроводе ШЛ16х32.конструкция трансформатора обеспечивает малое значение емкости и токов утечки, между первичной (сетевой) и вторичными обмотками.

Конструкция микровеберметра

Корпус микровеберметра выполнен по конструктивам АСЭТ в виде каркаса из литых кронштейнов, к которым винтами крепятся лицевая панель и задняя стенка, верхняя и нижняя крышки, боковые стенки.На нижней крышке расположена откидывающаяся скоба для установки микровеберметра в наклонном, более удобном для отсчета показаний положении.

На лицевой панели микровеберметра размещены: Отсчетное устройство (лицевая панель) микроамперметра М1633; Входной разъем, к которому подключается соединительный шнур; Галетный переключатель конечных значений диапазонов измерения 25-50-100-250-500-1000-2500 переключатель режимов работы ИЗМЕРЕНИЕ-НУЛЬ, состоящей из двух кнопок П2К с зависимой фиксацией; переключатель СЕТЬ-кнопка П2К с независимой фиксацией.

Переключатель АРР - кнопка П2К с независимой фиксацией, которая закорачивает цепь рамки микроамперметра для проверки нулевого положения указателя отсчетного устройства . при нажатой кнопке закорочена цепь рамки микроамперметра, и механическим корректором отсчетного устройства указатель устанавливается на нулевую отметку;

Монтаж микроввебрметра выполнен в основном печатным способом. на общей печатной плате- основании- смонтированным источники питания , выходной каскад. К ней крепится так же усилитель , катушки сопротивления из манганинового провода на керамических каркасах.

Усилитель У выполнен в виде отдельного блока, состоящего из нескольких печатных плат, экранированных друг от друга, и закрыт алюминиевым экраном. Регулирующие транзисторы стабилизаторов напряжения ±12,6 В снабжены теплопроводящими радиаторами. Первичная и вторичная обмотки силового трансформатора размещены на отдельных каркасах, между которыми находится алюминиевый экран, уменьшающий емкость между сетевой и вторичными обмотками.

В лаборатории №218 кафедры ИИСТ успешно развивается научное направление магнитометрии. Под руководством профессоров Горбатенко Н.И, Гречихина В.В. и доцентов, к.т.н. Ланкина М.В., Шайхутдинова Д.В. аспиранты создают новейшую высокочувствительную магнито-измерительную аппаратуру, пользующуюся спросом не только в России, но и за рубежом.

. Электромагнитные (ЭМ) измерительные приборы

Принцип действия ЭМ приборов основан на взаимодействии магнитного поля катушки, по обмотке которой протекает измерительный ток и одного или нескольких ферромагнитных сердечников (рисунок 22).

Рисунок 22.Конструктивные элементы электромагнитных механизмов

Электромагнитные ИМ различаются формой намагничивающих катушек, а также числом и формой ферромагнетиков. Чаще других применяются круглые и прямоугольные-катушки, цилиндрические и призматические сердечники.

На рисунке 22 даны конструктивные схемы наиболее распространённых механизмов отталкивающего действия. Механизм на рисунке а, имеет круглую рабочую катушку 1 и два цилиндрических (коаксиальных) сердечника 2 и 3. Один сердечник 3 неподвижен, а другой 2 укреплен вместе с указателем 6 на оси 4 подвижной части. Их форма обусловлена необходимостью получения требуемого характера шкалы. При прохождении тока по обмотке катушки оба сердечника намагничиваются с одинаковой полярностью, вследствие чего подвижный сердечник отталкивается от неподвижного. Так образуется вращающий момент механизма. Противодействующий момент создается спиральной пружиной 5, а успокоение подвижной части механизма осуществляется воздушным или магнитоиндукционным успокоителем. Для снижения влияния внешних магнитных полей рабочая катушка экранируется (экраны и успокоители на рис. 22, а - 6 не показаны). Сердечники и экраны изготовляют из магнитомягких материалов. Механизм с круглой катушкой и цилиндрическими сердечниками широко применяют в щитовых приборах различного назначения. Его достоинством наряду с очень простой и удобной регулировкой является возможность получения требуемого характера шкалы (линейности).

Уравнение шкалы:

где L - индуктивность катушки.

Достоинства: приборы работают на любом токе. Простота конструкции, дешевизна, высокая надежность.

Недостатки: неравномерная шкала, сильное влияние магнитных полей, низкая чувствительность и класс точности. Приборы ЭМ системы: амперметр, вольтметр, фазометр, частотомер, фарадометр.

Погрешности приборов. В электромагнитных приборах с некоторыми общими погрешностями, характерными для большинства электромеханических приборов (погрешности отсчета, от трения в опорах, от опрокидывания, от упругого последствия пружинок или растяжек и т. д.), имеют место специфические погрешности. Погрешность от гистерезиса материала сердечников и экранов появляется при работе прибора на постоянном токе, когда есть разница в показаниях прибора при возрастании и убывании тока. Для снижения этой погрешности сердечники изготовляют из высококачественных железоникелевых сплавов с малой коэрцитивной силой и затем подвергают отжигу в вакууме или водороде. Погрешность переносимых вольтметров собственного нагрева рабочей катушки проходящим по ней током. Изменение показаний электромагнитных вольтметров, вызванное изменением окружающей температуры, определяется величинами температурных коэффициентов сопротивления цепи катушки (Вц) и упругости материала растяжек или пружин (Вw). Изменение показаний электромагнитных приборов, вызвано изменением частоты, обусловлено влиянием вихревых токов, изменением индуктивного сопротивления рабочей катушки и наличием межвитковой емкости этой катушки. При работе прибора на переменном токе в металлических деталях ИМ индуцируются вихревые токи, значения и угол сдвига которых (относительно рабочего тока) меняются при изменении частоты и угла отклонения подвижной части, что ведет к изменению показаний прибора. Последнее становится заметным при работе на повышенных частотах и является основной составляющей частотной погрешности амперметров. Изменение показаний электромагнитного прибора под влиянием внешнего магнитного поля при самом неблагоприятном направлении поля и отсутствии магнитного экранирования определяют по формуле:

ун = Не/Нк100%,

где Не = 400 А/м - напряженность внешнего поля при испытании прибора; Нк- напряженность поля внутри рабочей катушки при номинальном токе в обмотке.

При небольших значениях Нк (2500-4000 А/м) получим недопустимо большие значения ун (более 10%). Применение магнитного экранирования измерительного механизма снижает ун до требуемых значений, так как при этом внешнее магнитное поле уменьшается экраном в кэ раз, где к3- коэффициент экранирования.

Изменение показаний электромагнитных приборов, вызванное отклонением формы кривой тока или напряжения от синусоидальной, оказывается существенным только при больших значениях магнитной индукции в сердечниках, близких к насыщению.

. Электродинамические (ЭД) измерительные приборы

Принцип действия ЭД приборов основан на взаимодействии магнитных полей неподвижной и подвижной катушек с токами (рисунок 23, 24).

Области применения и свойства приборов

Электродинамические приборы применяют в качестве:

) ваттметров постоянного и переменного токов (ваттметры переменного тока делятся на однофазные, трехфазные и малокосинусные);

) амперметров и вольтметров переменного тока и реже - постоянного;

) фазометров (однофазных и трехфазных);

) частотомеров;

) фарадометров.

Характерной особенностью электродинамических приборов является возможность их исполнения с высоким классом точности так, в настоящее время выпускаются электродинамические амперметры, миллиамперметры, вольтметры и однофазные ваттметры класса точности 0,05; фазометры - класса 0,1; частотомеры и стрелочного типа ваттметры - класса 0,5. Как правило, точность сохраняется при переходе с постоянного тока на переменный, что позволяет выполнять градуировку на постоянном токе. Высокая точность электродинамических приборов объясняется тем, что электродинамические ИМ не содержат ферромагнитных или других нелинейных элементов, наличие которых вызывает трудно компенсируемые погрешности. Погрешности, вносимые магнитным экраном (для экранированных приборов), можно свести до ничтожно малых величин правильным проектированием экрана. Показания электродинамических приборов отличаются также высокой стабильностью во времени. Высокая точность этой группы приборов позволяет использовать их в качестве образцовых при градуировке и поверке приборов других систем на переменном токе. Частотный диапазон применения электродинамических приборов достигает (в расширенной области частот) для амперметров 10 кГц, для вольтметров и ваттметров - 5 кГц. Ваттметры имеют практически равномерную шкалу, амперметры и вольтметры - равномерную шкалу, начиная приблизительно с 15-20% ее номинального значения.

По чувствительности электродинамические приборы уступают магнитоэлектрическим. Однако применение растяжек и светового указателя позволило улучшить этот параметр. Так, имеются миллиамперметры с током полного отклонения Iн=1 мА (чаще всего /и для этих приборов составляет 3-5 мА, а для приборов с установкой подвижной части на кернах Iн = 25/30 мА). В основном электродинамические приборы применяют в качестве самых разнообразных ваттметров, а также высокоточных амперметров и вольтметров. Выпускают и комбинированные электродинамические приборы - ампервольтваттметры.

Измерительные механизмы. Электродинамические ИМ состоят из системы неподвижных и подвижных катушек (рамок), стойки, упругих элементов, успокоителя, отсчетного устройства, средств магнитной защиты.

Катушки применяют круглые или прямоугольные. Круглые проще в производстве и дают по сравнению с прямоугольными увеличение коэффициента добротности (и, следовательно, чувствительности) на 15-20%. Прямоугольные применяют для уменьшения размера прибора по вертикали, например в астатических приборах и многофазных (многоэлементных) ваттметрах.

Неподвижные катушки обычно выполняют из двух половин (секций). Это удобнее конструктивно (можно пропустить ось) и можно, изменяя расстояние между катушками, менять конфигурацию магнитного поля, что требуется для улучшения шкалы прибора. Для обмоток неподвижных катушек всегда применяют медный провод, а для подвижных - медный или алюминиевый. Подвижные катушки размещают внутри неподвижных. Дальнейшее рассмотрение электродинамических приборов приведено применительно к ваттметрам, наиболее важной группе этих приборов.

Рисунок 23 - Разрез катушек ЭД

Рисунок24 Экранированный ЭД с круглыми катушками

Уравнение шкалы:

где М 1, 2 - взаимная индуктивность между катушками.

Достоинства: универсальность (переменно-постоянный ток), высокая точность, самые точные приборы для переменного тока, равномерность шкалы при измерении мощности.

Недостатки: сравнительно низкая чувствительность, большое потребление энергии, зависимость показаний от внешних магнитных полей, чувствительность к перегрузкам механических воздействий, неравномерность шкал вольтметров и амперметров, сложность конструкции (крупногабаритные) и относительно высокая стоимость.

Измерительные цепи и погрешности ваттметра.

Измерительные цепи электродинамических ваттметров зависят от количества пределов измерений по току и напряжению, а также от необходимости компенсации погрешностей, прежде всего температурной и частотной. Температурная погрешность yt ваттметра. Эта погрешность возникает вследствие изменения сопротивления rо обмотки рамки и изменения упругих свойств пружинок или растяжек.

Условие температурной компенсации (yt=0) можно представить следующим образом:

=B0rо/(rо+rд),

где B0- температурный коэффициент электрического сопротивления материала провода обмотки рамки; Bw-температурный коэффициент упругих пружинок или растяжек; rд - добавочное сопротивление. Погрешность электродинамических ваттметров от изменения частоты yf -эта погрешность вызывается изменением тока в параллельной цепи ваттметра.

. Ферродинамические (ФД) измерительные механизмы

Принцип действия ФД приборов основан на взаимодействии подвижной катушки с током и магнитным потоком, создаваемым неподвижными катушками (рисунок 25).

Рисунок 25 - Структурная схема ФД механизма

. Неподвижные катушки

, 3. Магнитопроводы

. Скрепленные катушки

Уравнение шкалы:

где k- коэффициент, определяемый конструкцией измерительного механизма и выбором системы единиц.

Достоинства: меньшая зависимость от внешних магнитных полей, мощное усиление, большой вращающий момент, большая механическая устойчивость. Благодаря большому вращающему моменту эти механизмы применяют в самопищущих приборах.

Недостатки: меньшая точность показаний (не выше класса 1), более низкий частотный уровень, большее влияние температуры и частоты на показания приборов.

Конструкции измерительных механизмов.

В ферродинамическом ИМ независимо от конструктивного исполнения можно выделить три основных элемента: катушку возбуждения, магнитопровод и подвижную часть. Форма катушки возбуждения и их количество, конфигурация магнитопровода и его отдельных элементов, конструкция и число обмоток подвижной части определяются схемой и целевым назначением прибора, видом измеряемой величины и требуемыми метрологическими характеристиками.

Рисунок 26 - Измерительный механизм с углом шкалы 900

Рисунок 27 - Магнитная система

На рис. 26 представлен ИМ, применяемый в амперметрах, вольтметрах и однофазных ваттметрах с углом шкалы 80-90 Катушка возбуждения 1 охватывает средний стержень магнитопровода 2, который обычно набирают из отдельных электрически изолированных пластин электротехнической стали или изготовляют методом спекания ферромагнитных порошков. Пластины стягивают в пакет шпильками или заклепками, применяя для этого материалы с низкой электропроводностью, например манганин. Сердечник 3 также набирают из отдельных пластин; иногда, особенно в приборах, предназначенных для работы в сетях промышленной частоты 50 Гц,

В щитовых приборах широко применяются конструкции с большим углом поворота подвижной части - в пределах 230-260(рис 27.). Магнитная система такого типа ИМ, состоит из двух основных элементов: S-образного сердечника 1 и внешнего магнитопровода 2 полукольцевой формы. Между частями магнитопровода обычно составляют зазор 5, изменением которого можно регулировать величину отклонения подвижной части. Увеличивая этот зазор, снижают индукцию на рабочем участке 3 магнитной системы и, следовательно, уменьшают угол поворота указателя. Относительное смещение частей магнитопровода можно использовать также для корректирования в некоторых пределах характера шкалы. Катушка возбуждения 4 размещается на выступе магнитопровода 2. На оси подвижной части закреплены рамка 6, стрелка 9 и сектор магнитного успокоителя 10. Подвижная часть вращается в опорах которыми служит кольцевой мостик 11. Начальное или нулевое положение подвижной части регулируется корректором 7.

Измерительные цепи и погрешности ЭД и ФД приборов.

Для ферродинамических, так же как и для электродинамических приборов, наиболее характерными являются ваттметры. Поэтому при рассмотрении измерительных цепей, погрешностей и методов их компенсации рассмотрим только однофазный ферродинамический ваттметр, наиболее характерными погрешностями которого являются частотная (угловая) погрешность, погрешность от нелинейности кривой намагничивания и погрешность от асимметрии воздушного зазора. Угловая погрешностьвозникает вследствие различия фазовых соотношений в приборе и измерительной цепи. Однако в данных приборах задача компенсации погрешности имеет ряд особенностей, обусловленных наличием ферромагнитных масс. Вследствие потерь на гистерезис и вихревые токи в магнитопроводе, обмотке и расположенных вблизи катушки возбуждения металлических деталях магнитный поток катушек отстает по фазе от намагничивающего тока на угол .Погрешность от нелинейности кривой намагничивания проявляются в том, что отсчет по ваттметру одной и той же мощности различен при разных сочетаниях тока в нагрузке и напряжения. Практически погрешность появляется в тех случаях, когда напряжение сети или коэффициент мощности отличаются от значений , при которых производилась градуировка прибора. Снизить погрешность от нелинейности кривой намагничивания можно выбором рабочего участка кривой намагничивания материала магнитопровода. Погрешность от асимметрии или погрешность электромагнитного взаимодействия обусловлена асимметрией воздушного зазора. Если разомкнуть цепь катушки возбуждения и оставить включённой параллельную цепь, указатель ваттметра должен устанавливаться на нулевой отметке. В действительности рамка может занять другое положение, соответствующее минимуму магнитного сопротивления для потока, создаваемого рамкой. Система "рамка с током-магнитопровод" представляет собой обращенный электромагнитный прибор, в котором катушка возбуждения вращается вокруг неподвижного ферромагнитного сердечника. Погрешность от асимметрии обычно не превышает десятых долей процента, уменьшить ее можно только тщательной регулировкой измерительного механизма в процессе сборки.

. Электростатические (ЭС) измерительные приборы

Электростатические приборы имеют ряд отличительных особенностей, дающих им существенные преимущества перед приборами других систем. К ним относятся: весьма малое собственное потребление мощности, широкий частотный диапазон (от 20 Гц до 35 МГц), малая зависимость показаний от изменений формы кривой измеряемого напряжения, а также возможность использования их в цепях постоянного и переменного токов для непосредственного измерения высоких напряжений (до 300 кВ) без применения измерительных трансформаторов напряжения. Наряду с этим электростатические приборы имеют и недостатки: они подвержены сильному влиянию внешних электростатических полей, обладают низкой чувствительностью к напряжению, имеют неравномерную шкалу, которую необходимо выравнивать за счет выбора формы электродов, пластин, и др.

Весьма малое потребление мощности из измерительной цепи особенно при работе электростатического прибора на постоянном токе, объясняется тем, что оно обусловлено только кратковременным зарядным током и протеканием весьма малых токов утечки через изоляцию. На переменном токе потребление мощности также невелико ввиду малой емкости ИМ и малых диэлектрических потерь в изоляции. Применение в современных конструкциях хороших изоляционных материалов позволяет свести токи утечки диэлектрические потери в изоляции до ничтожно малых значений. Точность электростатических приборов можно получить высокой за счет применения специальных конструктивно-технологических мероприятий по снижению погрешностей. В настоящее время разработаны переносные приборы (рис. 28) классов точности 0,2; 0,1 и 0,05.

Указанные свойства электростатических приборов определяют и области их применения. Эти приборы используют главным образом для измерения напряжения в цепях постоянного и переменного токов. Отечественная промышленность выпускает щитовые вольтметры на напряжения от 30 В до 15 кВ классов точности 1,0 и 1,5 с частотным диапазоном от 20 Гц до 3 МГц. Переносные вольтметры классов точности 0,5; 1,0 и 1.5 выпускаются на напряжения от 10 В до 3 кВ с частотным диапазоном до 35 МГц.

Рисунок 28 - Измерительный механизм переносного электростатического прибора

Вольтметры самой высокой точности (классов 0,05 и 0,1) имеют пределы измерения 50, 150 и 300В и частотный диапазон от 20 Гц до 500 кГц. С каждым годом увеличивается выпуск высоковольтных приборов на напряжения от 7,5 В до 300 кВ.

Кроме измерения напряжения электростатические приборы используют для измерения других электрических величин (мощности, сопротивления, индуктивности и т. п.). Измерительные механизмы электростатической системы (рисунок 28) применяют также во многих специальных приборах (автокомпенсаторах, компараторах, высокочувствительных электрометрах и др.).

Конструкции измерительных механизмов и измерительные цепи

Электростатический ИМ представляет собой систему подвижных и неподвижных электродов. Под действием измеряемого напряжения подвижные электроды поворачиваются относительно неподвижных в сторону увеличения емкости системы.

Выражение для вращающего момента

ИМ .

Из него следует, что для создания вращающего момента необходимо не только наличие напряжения между электродами, но и изменение емкости между ними, достигаемое за счет изменения активной площади электродов или расстояния между ними (в киловольтметрах) в зависимости от угла отклонения.

В выпускаемых приборах применяют различные по форме и размерам системы электродов. Они состоят из неподвижных электродов, устанавливаемых на керамических изоляторах, и подвижных, закрепляемых на осях подвижных частей. Для успокоения используют секторы подвижных электродов (в магнитоиндукционных успокоителях).

Рисунок 29 - Устройство ЭС прибора.

Уравнение шкалы:

где U- напряжение, приложенное к телам (пластинам);

С- емкость системы заряженных тел.

На рисунке 29 показано устройство ЭС (конденсаторного) прибора. Механизм данного прибора состоит из камеры и пластины из цветного металла, для того, чтобы металл не поддавался коррозии. Камера состоит из двух пластин эллипсоидального вида. Это сделано для того, чтобы выровнять шкалу прибора, т.к. уравнение емкости носит нелинейный характер.

Противодействующая пружина (4) изготовлена по специальной технологии с термической закалкой из бериллиевой бронзы, в качестве подпятника используется синтетический агат, корунд, сапфир, рубин, для того, чтобы с течением времени не менялся момент трения между подпятником и опорой (осью-керном).

Погрешности.

Основная погрешность электростатических приборов складывается не только из погрешностей, характерных для многих систем электромеханических приборов (погрешности отсчета от упругого последствия растяжек, от изменения частоты и т. д.), но и из таких специфических погрешностей, как погрешности от контактной разности потенциалов, термо ЭДС, поляризации диэлектриков и др.

Погрешность от контактной разности потенциалов обусловлена разностью работ выхода электронов с поверхности электродов в диэлектрик. При перемене полярности измеряемого постоянного напряжения или при переходе с постоянного тока на переменный контактная разность потенциалов UK вызывает погрешность

где U ном - номинальное значение измеряемого напряжения.

Для снижения UK до уровня 20-50 мВ применяется специальная технология обработки поверхности электродов.

Погрешность от термо ЭДС появляется в результате применения разнородных проводниковых материалов в измерительной цепи и наличия перепада температур в объеме ИМ. Значения этой погрешности определяется аналогично погрешности Yк от контактной разности потенциалов.

Погрешность от поляризации диэлектрика возникает при подаче напряжения между электродами и обусловливает появление обратной ЭДС в измерительной цепи. Для снижения влияниям поляризации диэлектрика применяют изоляционный материал с малым значением диэлектрической проницаемости, а также экранируют диэлектрик от подвижного электрода путем металлизации свободной поверхности, обращенной к подвижному электроду. Металлическое покрытие диэлектрика выполняют одинаковым с покрытием электродов и электрически соединяют с подвижной частью.

Частотная, погрешность (в номинальной области частот) возникает из-за наличия собственной емкости прибора совместной с индуктивностью проводов, вызывая резонансные явления в цепи прибора

где f - частота измеряемого напряжения; f0- резонансная частота цепи прибора (в пределах 30-100 МГц).

Температурная погрешность электростатического прибора вызывается изменениями упругости материала растяжек и емкости ИМ с изменением температуры:

где Bw - термоупругий коэффициент растяжек, определяемый по ГОСТ 9444 - 74; Bc-температурный коэффициент изменения емкости ИМ.

Отсюда следует, что в приборах класса точности 0,5 и ниже компенсации температурной погрешности не требуется. В приборах же высоких классов точности для компенсации температурной погрешности применяют дополнительные меры, например крепление натяжных пружин для растяжек на термобиметаллических пластинах, воздействующих на натяжение растяжек при изменении температуры. Для снижения влияния других внешних факторов также используют различные конструктивные меры.

Достоинства: слабо влияют магнитные поля, температурная среда и частота измеряемого напряжения, потребление мощности прибором мало, высокий класс точности, высокий диапазон измерений, применимы на любом токе, шкала практически равномерная.

Недостатки: сильное влияние электростатических полей, сложная конструкция, низкая надежность.

. Индукционные измерительные приборы

Индукционный механизм (рисунок) состоит из одного или нескольких неподвижных электромагнитов и подвижной части в виде алюминиевого диска, насаженного на ось. Взаимодействие магнитных потоков с током, наведенным в диске, вызывает перемещение подвижной части. Индукционные механизмы по числу потоков, пересекающих подвижную часть, могут быть одноточечными (в настоящее время не используются) и многоточечными. Многоточечные делятся на два типа: с бегущим магнитным полем и с вращающимся полем.

Рисунок 30 - Структурная схема индукционного механизма,

где 1, 2 - Сердечники,3 - Диск.

Уравнение момента вращения диска:

где Ф1, Ф2 - потоки, пронизывающие диск;

с - коэффициент пропорциональности, с=сгс3+с1с4;- частота тока; ? - угол сдвига между потоками

Рисунок 31 - Устройство однофазного индукционного счетчика и схема включения.

Конструктивно электромеханический индукционный счетчик состоит из 19-ти деталей, включая крышку и пластмассовое основание кожуха. На рисунке 31 показано устройство однофазового индукционного счетчика и его основные узлы и детали устройства. Трехфазный индукционный счетчик по устройству представляет собой два однофазных в одном корпусе. Индукционный счетчик работает лишь на переменном токе.

Достоинства: значительная перегрузочная способность, нечувствительность к влиянию внешних магнитных полей из-за наличия сильного собственного магнитного поля.

Недостатки: пригодность работы только для переменного тока, чувствительность к колебаниям частоты переменного тока.

Электронный счетчик

На ряду с электромеханическими счетчиками разработаны электронные счетчики. Например, статический счетчик ватт-часов активной энергии типа ЦЭ 6827М, который является счетчиком непосредственного включения и предназначен для многотарифного учета активной энергии в однофазных цепях переменного тока. Счетчик представляет собой автоматическое цифровое множительное устройство (АЦУ) с преобразованием напряжения, пропорционального мощности, в частоту следования импульсов, суммирование которых в цифровом устройстве дает количество потребляемой энергии. В этом электронном счетчике собраны все достоинства приборов данного назначения. Счетчик может использоваться в качестве датчика приращения энергии для автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ). Электронные счетчики строятся на основе измерения мгновенных значений тока и напряжения цепи с последующим определением мгновенного значения мощности и интегрированием его в соответствии с зависимостью:

где p- мгновенное значение мощности цепи.

Статические (электронные) счетчики выпускаются как однофазные, так и трехфазные.

Структурная схема электронного однофазного счетчика электрической энергии типа ЦЭ 6827М приведена на рисунке 32, где ТТ - трансформатор тока; ШИМ- широтно-импульсный модулятор; К- ключ; АИМ- амплитудно-импульсный модулятор; УУ- устройство усреднения; ПНЧ- преобразователь напряжения в частоту; СИ- счетчик импульсов; ПР- процессор; И- интерфейс; ИТ- индикаторное табло (дисплей).

Рисунок 32 - Структурная схема ЭС.

В счетчике типа ЦЭ 6827М перемножение тока и напряжения производится с помощью схем ШИМ - АИМ с последующим преобразованием напряжения, пропорционального мощности, в частоту. Далее с помощью процессора PIC 34C 04 производится подсчет импульсов ПНЧ и их интегрирования и индикация на индикаторном табло дисплея. Показания дисплея счетчика автоматически изменяются каждые 8 с. Информация счетчика доступна для просмотра и коррекции. Счетчик имеет световой индикатор функционирования, питаемый литиевым элементом SL-350P, срок эксплуатации которого - 8 лет.

. Цифровые приборы

Бурное развитие приборостроения в середине XX столетия стало отправной точкой интенсивной разработки и внедрения цифровых измерительных приборов.

Стоит отметить, что в эти перспективные разработки внесла научный вклад и наша кафедра. На заре у истоков (1950-1970 гг) первоначальных исследований развития и создания цифровых приборов и преобразователей трудились молодые, талантливые преподаватели - ученые нашей кафедры: Д.И. Малов, Е.И. Теняков и В.А. Иванцов. Эти высокоэрудированные специалисты в цифровой вычислительной технике всегда принимали активное участие во всех конференциях по цифровой измерительной технике. Интересно, что первая конференция в СССР прошла в Ленинграде в номере гостиницы "Октябрьская", на которой присутствовало всего 10 человек. Участники конференции представляли ученых из Ленинграда, Новосибирска, Новочеркасска, Пензы, и Львова. Приятно вспоминать, что сотрудниками кафедры выполнялись хоздоговорные работы с Краснодарским заводом измерительных приборов (ЗИП), направленные на разработку автоматических измерительных цифровых вольтметров и мостов. На разных этапах выполнения этой важной и ответственной работы были приглашены на работу асс. А.Н. Комов, инженер Ю.А. Бахвалов а ныне д.т.н. почетный проф. ЮРГТУ, студенты В.В. Буравлев и др. Впоследствии эти молодые инженеры защитили кандидатские диссертации по разработке и исследованию автоматических цифровых приборов и преобразователей.

Цифровым прибором называется прибор, автоматически вырабатывающий дискретные сигналы измеряемой информации, выдающий результаты в цифровом виде.

Сложную электронную схему цифрового измерительного прибора представим простой структурной схемой, показанной на рисунке 33,

Рисунок 33 Структурная схема ЦП.

где:

ВУ - входное устройство;

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

ЦОУ - цифровое отчетное устройство; N - цифровой вход;

УУ - устройство управления.

Измеряемый сигнал подается на входное устройство, в котором преобразуется до необходимого значения; входное устройство содержит переключатель рода измеряемой величины, переключатель пределов измерений.

Основным блоком любого цифрового прибора является аналого-цифровой преобразователь. Это устройство преобразует аналоговый сигнал в код, соответствующий измеряемой величине, далее сигнала с АЦП подается на ЦОУ, с которого снимаются результаты измерений. Всем процессом измерения управляет УУ.

АЦП - отдельный блок. Он характеризуется разрядностью, быстродействием.

Мультиметр - комбинированный ИП, служащий для измерения параметров электрической цепи (или параметров радиодеталей) (рисунок 36 (а,б)). В последние время цифровые приборы, заняли доминирующее положение в информационно -измерительной технике т.к. они имеют ряд достоинств по сравнению с обычными аналоговыми электроизмерительными приборами.

Рисунок 34. Квантование непрерывной (аналоговой) измеряемой величины по уровню.

Рисунок - 36 Квантование непрерывной (аналоговой) измеряемой величины по уровню

А) Цифровой амперметр ЩП01; 2А, класс точности -0,5; Б) Цифровой мультиметр М-830В

Код (обычно в виде электрического сигнала) может также подаваться в регистрирующее устройство, вычислительную машину или другие автоматические устройства. Цифровой прибор производит дискретные измерения, причем измерения дискретны как по времени (производятся не непрерывно, а только для определенных моментов времени), так и по уровню (по величине), так как ограниченным количеством цифр отсчетного устройства можно выразить конечное количество величин измеряемого сигнала. Дискретными измерениями контролируемой величины и преобразованием ее в код цифровые приборы отличаются от аналоговых приборов с цифровым отсчетом (счетчики электрической энергии), которые не производят дискретных измерений и преобразования непрерывной (аналоговой) измеряемой величины в код.

Цифровой прибор можно рассматривать состоящим из двух обязательных узлов: кодирующего (аналого-цифрового) преобразователя и отсчетного устройства

Кодирующий преобразователь производит измерение непрерывной измеряемой величины в определенные моменты времени и её квантование по уровню, т.е. подбирает каждому измеренному значению эквивалентный сигнал, который может принимать лишь определенные дискретные значения в соответствии с устройством преобразователя и ёмкостью отсчетного цифрового устройства. По полученному эквиваленту, т.е. в соответствии с квантованным по уровню значением измеряемой величины, кодирующий преобразователь производит кодирование, т.е. вырабатывает код. Таким образом, для цифровых приборов характерна погрешность дискретности, возникающая в результате квантования измеряемой величины по уровню, т.е. обусловленная тем, что бесконечное множество значений, которое принимает измеряемая величина, в цифровом приборе может отражаться лишь ограниченным количеством показаний отсчетного цифрового устройства. Возникновение погрешности дискретности поясняет рис. 34, где x(t)- график изменения измеряемой величины во времени; t1,t2,t3, …..tn-момент времени, в которые производятся измерения; a1 ,a2 ,a3…..an-линии, характеризующие возможные показания цифрового прибора выбранном пределе измерения (уровни квантования); А1, А2, А3 ……Аn- ординаты, соответствующие показаниям цифрового прибора при измерении x(t) момента времени t1,t2,t3, …..tn.В цифровых приборах применяется двоично-десятичный код, у которого для передачи каждого десятичного разряда имеется четыре элемента кода с "весами" 1,2,4,8. Очень часто используются так же "четырехэлементные" коды, у которых каждая цифра десятичного разряда передается четырьмя элементами кода, "вес" которых соответствует четырем целым положительным числам: А1, А2, А3, А4. Эти числа выбираются так, чтобы их линейная комбинация S=A1K1+A2K2+A3K3+A4K4 могла принимать любое целое значение от 0 до 9; К1, К2, К3 , К4 принимают значение 0 или 1. Например, А1-А4 выбираются такими: 4,2,2,1, или 5,2,1,1, или 2,4,2,1 и т.п.

Классификация цифровых приборов. Основные характеристики. Для удобства изучения цифровые приборы можно классифицировать: По назначению (измеряемой величине) цифровые приборы разделяются на вольтметр, вольтамперметр, вольтомметры, омметры, частотомеры, фазометры и т.д. По применяемым техническим средствам все цифровые приборы делятся на электромеханические (контактные) и электронные (бесконтактные). В электромеханических цифровых приборах используются различные электромеханические узлы (реле, электродвигатели, электромеханические переключатели и т.д.) и магнитные устройства.

По способу преобразование измеряемой величины в код различаются цифровые приборы прямого преобразования и приборы сравнения. Приборы прямого преобразования пока применяются главным образом в области телеизмерений и измерений неэлектрических величины. В области электрических измерений используются, в основном, цифровые приборы сравнения. По степени точности цифровые приборы разбиваются на классы: 0,005; 0,01; 0,02; 0.05; 0.1; 0.5; 1.0.

Электромеханические (контактные) цифровые приборы. Главным достоинством электромеханических приборов является их высокая точность (погрешность 0,01-0,005%). Недостатки этих приборов - большое время одного измерения (не менее 0,3 сек.) и ограниченный срок службы, определяемый сроком службы используемых контактных устройств (переключателей, реле).

Электронные цифровые приборы. Приборы этой группы выполняются на безинерционных элементах, и поэтому скорость их работы очень высока, что является достоинством этих приборов. В современных электронных цифровых приборах может производиться до 105 измерений в секунду. Такая скорость измерений имеет первостепенное значение в решении ряда специальных задач и, в частности, при использовании результатов измерения цифрового прибора в электронной вычислительной машине. Погрешность электронных цифровых вольтметров выше, чем у электромеханических приборов, и обычно находятся в пределах 0,1-0,5%. Цифровые электронные частотомеры могут выполнятся с очень малой погрешностью измерения, например %

Достоинства цифровых приборов:

) объективность и удобства отсчета и регистрации результатов измерения;

) высокая точность измерения при полной автоматизации процесса измерения;

) высокая частота дискретных измерений;

) возможность сочетания цифровых приборов с вычислительными и другими автоматическими устройствами;

) возможность дистанционной передачи результатов измерения в виде кода без потери точности.

Основной недостаток цифровых приборов - их сравнительная сложность и, следовательно, высокая стоимость.

17. Косвенные методы измерения. Измерительные преобразователи

При косвенном методе измерения, измеряемая величина определяется посредством известных законов или закономерностей, используя определенные формулы. Чаще всего этот метод применяется, когда необходимо определить неэлектрическую величину: время, температуру, скорость, силу, ускорение, перемещение, силу света и др. Для этого необходимо преобразовать неэлектрическую величину в электрическую с помощью преобразователей. Измерение неэлектрических величин электрическими методами представляет, собой обширную область измерительной техники. Лабораторные работы по не электрическим измерениям проходят студенты 3-4 курса в лабораториях №220,218. Широкое применение электрических методов для измерения неэлектрических величин объясняется возможностью непрерывного измерения и регистрации измеряемой величины возможностью проводить измерения на расстоянии с высокой точностью и чувствительностью измерений, и широким диапазоном значений измеряемой величины. В большинстве случаев электрические измерения неэлектрических величин сводится к тому, что неэлектрическая величина преобразуется в зависимую от нее электрическую величину, измеряя которую получаем возможность определения искомой неэлектрической величины.

Элемент измерительного устройства, предназначенный для преобразования неэлектрической величины в электрическую называется измерительным преобразователем. Преобразователи можно разделить на 2 группы: пассивные и активные или соответственно параметрические и генераторные. В преобразователях 1-й группы измеряемая неэлектрическая величина преобразуется в один из электрических параметров; сопротивление, индуктивность, емкость, для измерения которой необходимо применение источника питания. В соответствии, с чем эти преобразователи подразделяются на следующие группы. Рассмотрим емкостный преобразователь. Ёмкостные преобразователь представляет собой плоский конденсатор, емкость которого С= S??0 / ? зависит от площади электродов, их взаимного расположения, расстояния между ними, а также от размеров диэлектрика и его диалектической проницаемости. Эти преобразователи могут применяться для измерения различных неэлектрических величин, значение которых может быть связано с изменением одной из указанных выше величин, определяющих емкость преобразователя.

Емкостные динамометры и манометры работают на принципе изменения воздушного зазора ? (рис. 37) между двумя пластинами конденсатора под действием измеряемой силы или давления Р.

На рис. 38 показан принцип устройства преобразователя прибора для измерения толщины резиновой ленты. Испытываемая лента протягивается между двумя неподвижными электродами конденсатора.

При неизменной толщине ленты постоянной будет и емкость конденсатора. При изменении толщины ленты будет изменяться воздушный зазор и, благодаря различным величинам диэлектрической проницаемости резины и воздуха, будет изменяться и емкость преобразователя.

Емкость С - является функцией расстояния d между электродам и, площадью электродов А и диэлектрической проницаемостью ? диэлектрика между электродами

С = Е*А/d,

таким образом

с=с(d, А, s).

Очевидно, имеем три варианта реализации емкостного датчика смещения: можно изменять d, А, Е. Эти три варианта проиллюстрированы на рисунке 39.

Рисунок 39. Варианты реализации емкостного датчика смещения.

Включение по схеме а: не меняем датчик. Передаточная функция гиперболическая. Такая схема пригодна для малых перемещений без контакта с измеряемым объектом.

Включение по схеме б: этот тип датчика реализуем в виде поворотного конденсатора для измерения угловых смещений. Хорошая линейность.

Включение по схеме в: этот тип датчика линеен. Он реализует как в форме концентрических цилиндров, так и используется для измерения уровня жидкости в резервуаре. Непроводящая жидкость играет роль диэлектрика.

Пример измерения схемы Б: измеряем d через угол закрутки (табл.2).

Таблица 2 Зависимость емкости С от угла закрутки ?

Преобразователи контактного сопротивления.

В основу работы этих преобразователей положена зависимость контактного сопротивления под воздействием измеряемой величины. Они применяются для измерения механических деформаций, давления и т.д.

Эти преобразователи выполняются или с угольными шайбами, или с тензолитовой нитью. В первом случае преобразователь представляет собой столбик из 10-15 угольных шайб (рис. 40), зажатый между двумя латунными дисками-стержнями а и б.

Электрическое сопротивление такого столбика зависит от степени его сжатия (рис. 41), так как при этом изменяется переходное сопротивление между шайбами. Это дает возможность по изменению электрического сопротивления столбика определить измеряемую силу P, действующую на стержень б.

Применение двух угольных столбиков (рис. 42), при воздействии на которые измеряемая сила Р вызывает увеличение сжатия одного из них и уменьшение сжатия другого, увеличивает точность измерений.

Включая два столбика и два смежных плеча одинарного моста, можно устранить влияние температуры на результат измерений.

Тензолит представляет собой смесь графита с бакелитом. Отрезки тонкой тензолитовой нити (с заделанными в ее концы медными выводными проводами) приклеиваются по всей длине к тонкой бумаге, которая в свою очередь наклеивается на испытываемую деталь, механическое напряжение в которой нужно измерить.

Наклейка должна быть такой, при которой все деформации испытываемой детали будут передаваться нити. Тогда при сжатии сопротивление нити будет уменьшаться за счет увеличения контакта между частицами графита, а при растяжении, наоборот, - увеличиваться.

Относительное изменение сопротивления тензолитовой нити пропорционально относительной деформации, т.е.

?r/r =k*(?l/l)

Где k- относительная чувствительность

(k= (?r/r)/ (?l/l)).

Сопротивление тензолитовых преобразователей обычно составляет несколько сот Ом.

Проволочные преобразователи. Работа их основана на изменении сопротивления проволоки при ее деформации. Применение тоже самое, что и у преобразователей контактного сопротивления.

Преобразователи термосопротивления. В основе работы этих преобразователей лежит зависимость температуры от сопротивления его при тепловом равновесии не только от тока, но и от ряда физических величин определяющих окружающую среду. Термосопротивления применяются для измерения температуры, скорости, давления воздуха, для измерения вакуума.

Рис 43 Схема индуктивного микрометра

Электролитические преобразователи. В основе их работы положена зависимость электрического сопротивления, раствора электролита от его концентрации. Применяют для измерения концентрации растворов электролита, для количественного анализа жидкостей и газов, растворимых в жидкости.

Магнитоупругие преобразователи. В основу работы этих преобразователей положена зависимость магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника преобразователя, следовательно, и индуктивного сопротивления преобразователя от механических напряжений, действующих на сердечник. Они примеряются для измерения механических величин.

Индуктивные преобразователи. В основу работы этих преобразователей положено изменение индуктивности преобразователя, вызванное изменением положения любой из частей преобразователя под действием измеряемой величины. Они применяются для измерения механических величин (давления, линейного перемещения и т.д.).

На рис. 43 в качестве примера показано устройство дифференциального приемника индуктивного микрометра.

В корпусе 1 из немагнитного материала помещены два сердечника 2 и 3 из мягкой стали с расположенными в них двумя катушками 4. На оси 5 укрепляют якорь 6 из мягкой стали. Один конец оси образует мерительную ножку 7, а другой упирается в пружину 8. Диаметр приемника около 50, а высота 90 мм.

При отклонении измеряемого размера от заданного значения якорь перемещается, вследствие чего изменяется индуктивность катушек на шкале прибора, включенного в измерительную диагональ моста переменного тока, непосредственно отсчитывается значении измеряемой величины.

Фотоэлектрические преобразователи. Они бывают и генераторными и параметрическими. В основу работы этих преобразователей положено получение фототока f определяемого световым потоком, зависящим от измеряемой неэлектрической величины или получения импульсов фототока, частота которых зависит от измеряемой величины. Они применяются для измерения линейных размеров. Измерения температур, прозрачности, мутности жидкости и газовой среды.

Ионизационные преобразователи. В основу работы этих преобразователей положена зависимость ионизационного тока от ряда факторов. Они применяются для анализа газа и определения его плотности, а так же для определения геометрических размеров изделий и т.д.

Реостатные преобразователи. В основу работы положена зависимость сопротивления реостата от измеряемой неэлектрической величины, воздействующей на его движок. Они применяются для измерения уровня и объема жидкости, для измерения перемещения. Эти преобразователи представляют собой реостат, движок которого перемещается под воздействием измеряемой неэлектрической величины, отсюда величина сопротивления реостата R зависит от измеряемой величины х по формуле: R=f(х). Таким образом, по найденному значению R можно определить х, наиболее часто применяемые электрические схемы с реостатными преобразователями показаны на рисунке 44

Логометр - прибор, угол отклонения стрелки которого реагирует на отношение токов протекающих в рамках, т.е. ? = I1/I2.

Преобразователи, в которых измеряемая неэлектрическая величина преобразуется в ЭДС, называются генераторными. В зависимости от характера ЭДС эти преобразователи подразделяются на следующие группы:

. Индукционные.

. Термопреобразователи (термопары).

. Фотопреобразователи.

. Пьезоэлектрические.

Индукционные преобразователи. В индукционном преобразователе измеряемая физическая неэлектрическая величина преобразуется в индукционную ЭДС.

В качестве примера рассмотри устройство индукционного тахометра - прибора для измерения скорости вращения.

Он представляет собой (рис.45) маленькую магнитоэлектрическую машинку, напряжение на зажимах которой изменяется пропорционально скорости вращения якоря, расположенного между полюсами постоянного магнита. Так как якорь тахометра при помощи гибкого вала связан с валом машины, скорость которой будет измеряться, то напряжение на зажимах якоря будет пропорционально скорости вращения. Это напряжение подводится к измерителю магнитоэлектрической системы, шкала которого непосредственно градуируется в значениях скорости вращения.

На рис. 46 показана схема устройства индукционного тахометра с вращающимся магнитным полем.

Он состоит из алюминиевого диска 1, укрепленного на одной оси со стрелкой 2. Постоянный магнит NS при помощи гибкого вала связан с валом машины, скорость которой измеряется.

При вращении постоянного магнита магнитное поле его, пересекая диск, будет индуктировать в диске ЭДС и в диске возникнут вихревые токи.

Вращающий момент, созданный взаимодействием вихревых токов с полем магнита, вызывает поворот диска на угол, при котором он уравновешивается моментом пружины 3. Таким образом, каждой скорости вращения соответствует определенный угол поворота указательной стрелки, что дает возможность на шкале прибора наносить значения скорости вращения.

Рис.47 Схема термоэлектрического пирометра.

Термоэлектрические преобразователи. Устройство, состоящее из термоэлектрического преобразователя и измерительного механизма, предназначенное для измерения температур, называется термоэлектрическим пирометром.

Термоэлектрический преобразователь представляет собой термопару, соединенную с измерительным механизмом магнитоэлектрической системы (рис. 47).

При нагревании рабочего конца термопары возникает термо - Э.Д.С., величина, которая зависит от разности температур между рабочим и свободным концами термопары.

Если температура свободных концов остается неизменной, то термо- Э.Д.С. будет зависеть только от температуры рабочего конца термопары. Термо - Э.Д.С. вызовет в цепи измерительного ток, а следовательно, и отклонение его подвижных части, по величине которого можно судить о температуре рабочего конца термопары. Шкала измерительного механизма градуируется в значениях температуры. Рабочий конец термопары помещают в точку, температуру которой надо определить. Провода термопары должны быть достаточно длинными, с тем, чтобы свободные концы, присоединенные к соединительным проводам, находились в среде с той температурой, при которой градуировался пирометр.При измерении высоких температур незначительные колебания свободных концов термопары не вызывают заметной погрешности. При измерении же невысоких температур влияние температуры свободных концов термопары может быть значительным, и поэтому иногда для устранения этого влияния свободные концы термопары помещают в термостат с постоянной температурой.

Материалом для термопар служат: медь - копель (до 600 град.), железо - копель (до 800 град.), хромель - копель (до 800 град.), хромель - алюмель (до 1300 град.), медь - константан (до 350 град.), платина - платинородий (до 1600 град.).

Для защищения термопары от механических повреждений и вредных воздействий горячих газов или паров термопару помещают в защитную трубку из латуни, стали, фарфора, шамота.

. Информационно-измерительные системы

Информационно-измерительной системой (ИИС) называют совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенных для автоматического сбора измеряемой информации с разных объектов, обработки этой информации, передачи ее на различные расстояния с помощью линий связи и представления этой информации в той или иной форме. ИИС устанавливают для автоматического сбора информации на магистральных нефте и газопроводах, на оросительных системах сельхозугодий, на автоматических линиях сборки автомобилей, в морских аэропортах, в системах слежения и работы аэрокосмических спутников и др. все ИИС классифицируют.Независимо от классификации любая информационно-измерительная система содержит следующие основные блоки:

. Первичные датчики-предназначены для непосредственного съема измеряемой информации с объекта, в качестве первичных датчиков могут быть

использованы аналоговые или цифровые измерительные приборы.

. Микропроцессорные устройства - предназначены для автоматизации процесса сбора, обработки, передачи информации. В качестве таких устройств может использоваться ЭВМ или встроенный микропроцессор.

. INTERFACE- устройство связи между датчиками и ЭВМ.

Кроме основных устройств в ИИС могут входить вспомогательные устройства: генераторы, для синхронизации работы устройств ИИС, устройства связи с конкретными приборами.

Всевозможные устройства отображения (индикаторные), аналогово-цифровые преобразователи (АЦП) и др. оборудование.

Важной составной частью ИИС является программное обеспечение. Программы в основном составляются в машинных кодах или на языке Ассемблер.

. Персональный компьютер в измерительной технике

Проблемы подготовки инженерных кадров после длительного застоя становятся теперь в России чрезвычайно актуальными. Наблюдается резкий всплеск интереса молодых людей - абитуриентов российских высших учебных заведений - к инженерным специальностям и очевидный рост потребности в инженерных кадрах. Это является естественным следствием начала подъема промышленности и науки. Одним из направлений реформирования системы образования, в том числе высшего профессионального, является внедрение дистанционных форм обучения на основе новых информационных технологий (НИТ). Наступивший век характеризуется прежде всего проникновением новых информационных технологий во все отрасли хозяйства, производства, науки, образования, во все направления интеллектуальной и созидательной деятельности человеческого общества. Информация становится важнейшим ресурсом развития общества наравне с сырьевыми и энергетическими ресурсами. Основное внимание в обучении студентов на кафедре информационных и измерительных систем и технологий для инженеров направляется на изучение НИТ в области инженерной деятельности, в решении типовых вычислительных задач, задач математического моделирования с использованием компьютера. Важно, чтобы студент на первом курсе получил представление о современных технологиях решения таких задач. В инженерном деле НИТ особенно важны, поскольку создание новых сложнейших объектов и устройств, разработка новых технологических процессов производства возможны только на основе всего объёма новейшей информации, наиболее современных средств и методов доступа и обработки информации, на основе мощных методов информационного и математического моделирования, методов проектирования, основанных на применении современных средств вычислительной техники и современных программных средств. К таким средствам относятся прежде всего графическая среда (операционная система) MS Windows и программы, входящие в состав пакета Microsoft Office. Широкий класс инженерных и вычислительных задач эффективно решается с помощью специализированных программ, таких как MathCad, Eureka. Важнейшее в обучении на кафедре ИИСТ - это направленность на освоение студентами подходов к решению практических задач на основе использования современных средств вычислительной техники и средств телекоммуникации, то есть на освоение современных информационных технологий в науке и технике. Главное - получить обобщённое представление об информационных процессах и современных информационных технологиях. В процессе обучения на кафедре ИИСТ студенты должны получить навыки работы на ПК с программами, входящими в состав пакета Microsoft Office (или аналогичного), с универсальными программами решения задач, сформулированных математически (MathCad, MatLab). Во время прохождения вычислительной практики студенты осваивают приёмы ввода и редактирования поставленных задач, способы оформления результатов. При работе с программой MathCad студенты знакомятся с приёмами выполнения численных экспериментов, используя ПК в измерительной технике. История возникновения и развития электронно-вычислительных машин в нашей стране начинается с конца 30 - х годов ХХ в. Первые практические задачи были решены с помощью ЭВМ в конце 40-х годов.

Развитие и становление компьютерной техники в России связано с научными школами академика С.А. Лебедева в Москве и академика В.М. Глушкова в Киеве. Под руководством академика С.А. Лебедева была создана серия вычислительных машин БЭСМ, значение которой для нашей науки, техники, обороны трудно переоценить. Коллектив академика В.М. Глушкова создал по существу первый в мире "персональный компьютер" - ЭВМ серии "МИР" (машины для инженерных расчетов). Академик В.М. Глушков в 50 - х годах впервые сформулировали идеи создания "безбумажного" информационного общества.

Почётно осознавать, что В.М. Глушков был студентом энергетического факультета Новочеркасского политехнического института (НПИ). На фасаде здания ЭФ установлена мемориальная доска с надписью: "Здесь с 1943 по 1947 год обучался Герой социалистического труда, лауреат Ленинской и государственных премий академик Глушков Виктор Михайлович.

Структура и состав персонального компьютера.

Анализ истории развития и применения средств вычислительной техники (компьютеров) показывает, что назначение этих средств состоит в сборе, накоплении, хранении, обработке и передаче (распространении) информации. Отсюда следует, что средства вычислительной техники вместе со средствами телекоммуникации являются основными инструментами реализации информационных процессов, то есть основой новых информационных технологий.

О массовом применении компьютеров в информационных технологиях стало возможно говорить только после появления и распространения ПК. Обычно выделяют так называемую базовую конфигурацию (состав) ПК, которая наращивается или изменяется в соответствии с конкретными потребностями. Конструктивно ПК представляет собой набор блоков (узлов), каждый из которых выбирается пользователем (покупателем), если они технически совместимы. Это означает на практике, что отдельный блок может быть удалён из состава ПК и заменён на другой с соответствующим назначением, но другими характеристиками.

Конструктивно в настоящее время в базовую конфигурацию ПК входят системный блок, монитор, клавиатура, манипулятор (мышь). Системный блок представляет собой ящик (корпус - case), внутри которого располагаются основные узлы типовой структуры ПК.

Традиционно все устройства ПК разделяют на группы (классы) таким образом: центральный процессор (ЦП), содержащий устройства управления и арифметико-логическое устройство; постоянное запоминающее устройство; оперативное запоминающее устройство (ОЗУ); внешние запоминающие устройства (ВнЗУ); устройства ввода (УВвД) и вывода данных (УВывД).

В реальности взаимодействие устройств ПК и информационные связи между ними основаны на специальных устройствах - шинах. Шина содержит набор проводников для передачи сигналов и устройство (микросхемы) управления шиной. Каждая шина содержит шину адреса, шину команд и шину данных, назначение которых следует из их названия. Шины являются "узким" местом любого ПК, и скорость передачи сигналов по шинам определяет быстродействие компьютера в целом.

В состав ПК сегодня входят несколько шин, отличающихся пропускной способностью (и стоимостью). Наивысшей пропускной способностью должна обладать шина, связывающая процессор с блоками памяти (внутренняя или системная шина). Характеристики других (локальных) шин определяются свойствами и характеристиками тех устройств, для подсоединения которых они используются.

Типовая шинная структура современного ПК на базе процессора Pentium представлена на рис. 49.

Основные тенденции в развитии структуры ПК являются:

·Включение в состав ПК локальных шин, обеспечивающих для высокоскоростных внешних устройств по возможности прямой (без участия ЦП) доступ к памяти (ОЗУ);

·Включение в состав контролеров внешних устройств (или в состав самих устройств) модулей промежуточной памяти (кэш-памяти), которые используются для накопления информации для обработки в следующие моменты времени;

·Использование периферийных процессоров в составе контролеров внешних устройств.

Рис. 49. Типовая шинная структура ПК

Следует заметить, что технические характеристики устройств ПК постоянно совершенствуются. Поэтому приводимые в литературе данные очень быстро устаревают.

В составе многих ПК пока еще остается низкоскоростная шина ISA (Industry Standart Architecture), к которой подключаются звуковая и сетевая карты(старые) и порты ввода/вывода. В настоящее время разработаны и реализованы на современных материнских платах стандарты, пришедшие на смену ISA.

Разработан разъем (шина) ACR (Advanced Communications Riser) и аналогичный CNR (Communications and Networking Riser), которые предназначены для подключения многофункциональных плат, образующих вместе с контроллерами на материнской плате аудиосистему, сетевой адаптер и HSP-модем (Host Signal Processing - модем, в котором обработка сигналов реализована программно, т.е. возложена на центральный процессор компьютера).

Подключение внешних запоминающих устройств производится через специальный интерфейс (контроллер) IDE, который на основе современных микросхем управления и согласования (чипсетов) обеспечивает прямой метод доступа к памяти DMA(Direct Memory Adressed) или Ultra-DMA.

В ряде случаев для подключения внешних запоминающих устройств используются высокоскоростные контроллеры интерфейса SCSI(читается "сказзи").

Шина PCI первоначально была предназначена для связи процессора с оперативной памятью, в которую были врезаны разъёмы для подключения внешних устройств. Пропускная способность 32-разрядной шины PCI на частоте 66 МГц составляла 132Мбайт/с. Новые версии 64-разрядной шины PCI поддерживают частоту 66 МГц и обеспечивают пропускную способность 528 Мбайт/с. В течении нескольких лет шина PCI в основном использовалась для подсоединения видеосистемы.

В настоящее время вместо шины PCI для подсоединения видеоадаптера применяют высокоскоростную локальную шину AGP (Advanced Graphic Port), которая работает на частоте 33 или 66 МГц и обладает пропускной способностью до 1066 Мбайт/с.

Наконец, все больше внешних устройств ввода/вывода подсоединяются к универсальной последовательной шине USB (Universal System Bus). Шина USB позволяет подключить к компьютеру до 256 различных устройств, имеющих последовательный интерфейс. Устройства соединяются последовательно (цепочкой), т.е. каждое следующее устройство подключается к предыдущему. Шина USB практически исключает конфликты между различными устройствами.

Таким образом, шинная структура ПК постоянно развивается и совершенствуется по пути увеличения пропускной способности в соответствии с совершенствованием других устройств ПК. Электронные устройства, обеспечивающие сопряжения локальных шин компьютера и реализующие методы доступа к памяти компьютера со стороны внешних устройств, представляют собой набор микросхем (чипсет), свойства которого полностью определяют характеристики материнской платы ПК. В большинстве случаев чипсет состоит из двух микросхем, которые называются "северный мост" и "южный мост".

"Северный мост " управляет взаимодействием основных устройств: центрального процессора, оперативной памяти, порта AGP и шины PCI.

"Южный порт" выполняет функции контроллера дисководов жестких и гибких дисков, функции моста PCI - ISA, контроллера клавиатуры, мыши, шины USB.

Электронные мосты предназначены для согласования характеристик шины с нагрузкой (с подключаемыми к ней устройствами) или согласования шин различных типов.

Структурная схема ПК показывает, что возможности компьютера существенно определяются характеристиками системной шины FSB (Front Side Bus), в основном тактовой частотой ее работы. Эта шина работает на частоте 66, 100 и 133 МГц. В настоящее время наиболее распространены чипсеты, поддерживающие частоту работы системной шины 133 МГц, однако имеются чипсеты, поддерживающие частоту 800 МГц системной шины. Пропускная способность шины FSB на частоте 100 МГц равна примерно 800 Мбайт/с. Конечно, необходимо учитывать способность процессора и модулей ОЗУ работать с такими системными шинами.

Характеристики ПК определяются в основном характеристиками процессора и чипсета. Поскольку конструктивно чипсет является неотъемлемой частью материнской платы, а процессор является съёмным устройством, постольку характеристики ПК определяются сочетанием материнской платы и процессора, которые должны быть совместимы. Большинство современных материнских плат автоматически определяют тип установленного процессора и производят необходимые настройки, обеспечивающие их совместимость. Некоторые возможности настройки можно выполнить программным путем через меню установки Setup BIOS.

Следует отметить стремление разработчиков ПК интегрировать на системной плате контроллеры ряда основных внешних устройств (возможно, вместе с самими устройствами), таких как видеоконтроллер, звуковая система, сетевой адаптер, факс-модем. Это приводит к существенному упрощению конструкции ПК. Однако у этой тенденции есть существенные недостатки:

·Низкая ремонтопригодность - выход из строя любого контроллера приводит к необходимости замены всей системной платы; в этом отношении модульная структура, в которой каждому контроллеру соответствует отдельная печатная плата, подсоединяемая к материнской (системной) плате через соответствующий разъем, представляется более рациональной;

·Невозможность совершенствования (замены) отдельных устройств без замены всей материнской платы.

Однако рост интеграции элементов, уменьшение их габаритов при совершенствовании их характеристик и снижение цены приводит к широкому распространению интегрированных материнских плат, особенно в массовых недорогих ПК.

Можно выделить три основных направления развития ПК:

·Прогресс в разработке и производстве процессоров: увеличение тактовой частоты в соответствии с совершенствованием технологии производства интегральных схем; совершенствование архитектуры процессора;

·Развитие шинной структуры ПК и разработка новых поколений чипсетов;

·Разработка новых периферийных устройств и соответствующих контроллеров.

Рассмотрим более подробно указанные направления развития ПК.

Процессоры. Главным элементом компьютера является центральный процессор (ЦП), который представляет собой выращенный по специальной технологии кристалл кремния, содержащий в себе множество отдельных элементов - транзисторов. Процессор включает в себя несколько устройств: арифметико-логическое устройство (вычислитель); сопроцессор - устройство для выполнения операций "с плавающей точкой"; устройство управления; кэш-память - сверхбыстрая память, предназначенная для хранения промежуточных результатов.

Лидирующее положение в области производства давно и прочно занимает фирма "Intel". Однако наличие конкурентов в лице фирм "AMD" и "Cyrix" стимулирует быстрое развитие этой отрасли.

Процессоры отличаются друг от друга типом (моделью) и тактовой частотой. Каждой модели процессора соответствует набор команд, выполняемых процессором. Чем выше тактовая частота, тем выше при прочих равных условиях производительность (и цена) процессора. Тактовая частота, измеряемая в мегагерцах (МГц), показывает, сколько элементарных операций (тактов) выполняется процессором за одну секунду. Следует заметить, что разные модели процессоров выполняют одни и те же операции (например деление или умножение) за разное число тактов, что существенно сказывается на их производительности.

Совершенствование внутренней структуры (архитектуры) процессоров происходит параллельно с ростом тактовой частоты их работы. Серия процессоров Pentium фирмы "Intel" занимает доминирующее место на рынке процессоров. Для процессоров Pentium IV характерными являются частоты 1500..2800 МГц.

Важной характеристикой процессора является наличие встроенной (промежуточной, буферной) кэш-памяти второго уровня (L2), которую так называют в отличие от кэш-памяти (внутренних регистров памяти) первого уровня (L1). Объём внутренней кэш-памяти второго уровня составляет от 128 до 512 КБ.

Конструктивной особенностью, на которую необходимо обращать внимание, является тип разъёма (гнезда), в который вставляется микросхема процессора на материнской (системной) плате. К сожалению, здесь достаточно большое разнообразие вариантов. Сегодня наиболее распространены материнские платы с разъёмом для процессора типа FC-PGA, для процессоров Pentium III, Pentium IV и Celeron новой серии (технология 0,18 мкм). Ранее выпускались материнские платы с разъёмом Slot1 для процессоров Pentium II, Pentium III, некоторых типов Celeron, и разъёмом типа Slot370 для процессоров Celeron. Фирмы-производители предлагают специальные устройства - переходники с одного типа разъёма на другой.

Чипсеты. Характеристики чипсета полностью определяют свойства материнской платы. При выборе материнской платы необходимо выяснить, какие возможности предоставляет чипсет, установленный в ней, в частности, какую частоту работы системной шины он поддерживает, какую скорость обмена данными с дисковыми накопителями он обеспечивает.

Контроллеры периферийных устройств. Наибольший интерес при выборе (или сборке) ПК представляет видеосистема, включающая в себя видеоконтроллер (видеокарту) и монитор.

Видеокарта содержит собственно контроллер монитора и видеопамять. Современные видеокарты способны хранить значительный объём данных, предназначенных для вывода на экран монитора, и в определенной степени обрабатывать их для ускорения формирования изображения. Такие видеокарты получили название графических ускорителей (акселераторов).

Свойства и возможности графического ускорителя определяются типом графического процессора, установленного в нем, и объёмом видеопамяти. Из общих соображений ясно, что чем больше объём видеопамяти, тем лучше, что однако существенно сказывается на цене видеокарты.

Графические процессоры постоянно совершенствуются по пути роста внутренней частоты и развития применяемых алгоритмов обработки трехмерной графики.

Большинство выпускаемых в настоящее время графических ускорителей подключаются к порту (шине) AGP (Accelerated Graphic Port), однако достаточно распространены акселераторы (иногда в виде дополнительной платы, подсоединяемой к обычной видеокарте), работающие с шиной PCI.

Видеоконтроллеры, расположенные на интегрированных системных платах, используют для работы с графическими данными часть оперативной памяти ПК и ресурсы центрального процессора, что может существенно сказаться на производительности системы.

Контроллеры других внешних устройств(звуковой системы, сети, модемы) обычно совмещаются с самими устройствами на одной печатной плате или интегрированы (размещены) на системной плате ПК.

Модули оперативной памяти. На всех современных материнских платах имеется не менее двух разъёмов для установки модулей оперативной памяти DIMM (168 контактов). Эти модули не требуют установки их одинаковыми парами, как было ранее. Один модуль может обладать объёмом памяти 16, 32, 64, 128 Мбайт и более. Поэтому обычно достаточно одного модуля, установка которого не вызывает проблем. Принципиальной является такая характеристика модуля памяти, как время доступа. Необходимо убедится, что чипсет материнской платы соответствует скоростным качествам модуля памяти. Не следует стремиться устанавливать высокоскоростные модули памяти, если материнская плата недостаточно современна.

Внешние запоминающие устройства. Следующей не менее важной проблемой является выбор и установка устройств внешней памяти (внешних запоминающих устройств или накопителей).

Сегодня считается обязательным для большинства ПК наличие накопителя на гибких магнитных дисках (НГМД) размером 3,5 дюйма и накопителя на жестком магнитном диске (винчестер), а также устройства для чтения данных с компакт-диска (CD-ROM).

При подключении НГМД необходимо обратить внимание на аккуратное подсоединение провода питания. При подсоединении сигнального шлейфа нужно правильно поместить его нулевой провод. На шлейфе нулевой провод помечен краской, на плате и устройстве обычно имеется соответствующая надпись. Чаще всего нулевой провод на устройстве расположен вблизи разъема питания. К НГМД шлейф подсоединяется тем разъемом, который расположен после переворота на 180° части проводников шлейфа.

При подключении винчестеров имеется несколько вариантов. Если винчестер (накопитель на жестком магнитном диске НЖМД) один, то он с помощью перемычки устанавливается в режим Master (М). Если подключаются два НЖМД к одному разъему интерфейса IDE на материнской плате с помощью соответствующего шлейфа (с тремя разъемами), то один винчестер устанавливается в режим Master, а другой - в режим Slave (S). Если винчестеры подсоединяются к разным разъемам интерфейса IDE (IDE0 и IDE1), то они оба устанавливаются в режим Master.

Устройства, работающие с лазерными дисками (в частности, CD-ROM), которые подсоединяются к интерфейсу IDE, либо подключаются в режиме Slave тем же шлейфом, что и винчестер, либо в режиме Master отдельным шлейфом ко второму разъему (IDE1) интерфейса IDE на материнской плате.

При выборе винчестера, кроме желаемого объема памяти и цены, нужно руководствоваться возможностями чипсета материнской платы. В настоящее время почти все винчестеры имеют интерфейс UDMA-100 (Ultra Directed Memory Access). Скорость обмена данными существенно зависит от скорости вращения привода диска (5400 или 7200 об/мин).

Кроме накопителей с интерфейсом IDE/E1DE, возможно использование устройств с интерфейсом SCSI ("сказзи"), которые обладают значительно более высокими скоростными характеристиками, но требуют наличия специального адаптера и значительно дороже стоят. Поэтому их применение скорее оправдано в серверах и компьютерах специального назначения.

Звуковые карты. Современная звуковая карта содержит аналого-цифровой (АЦП) и цифроаналоговый (ЦАП) преобразователи, обеспечивающие необходимые преобразования звукового сигнала, процессоры обработки звукового сигнала и усилители. Звуковой сигнал, поступающий на звуковую плату с аналогового входа .(например, от микрофона), преобразуется в цифровую форму (оцифровывается) и может быть записан, в частности, на машинный носитель (диск). При воспроизведении звука выполняется обратная процедура.

Свойства и характеристики звуковых карт определяются частотой дискретизации звукового сигнала и применяемыми алгоритмами обработки и коррекции звука. Возможности, предоставляемые звуковыми картами пользователям, в основном определяются программными средствами, которые обеспечивают генерацию необходимых сигналов, содержат обширные библиотеки сигналов (в частности, звучания отдельных музыкальных инструментов) Все это вместе с соответствующим графическим интерфейсом таких программ позволяет пользователю эффективно синтезировать необходимое звучание и, например, сочинять музыкальные произведения.

Звуковые карты подсоединяются в основном к шине PCI но иногда все еще используется шина ISA.

Сетевые карты. Сетевые карты (адаптеры сети) преобразуют данные, поступающие с шины PCI (или ISA) для передачи их в сеть по двухпроводной линии, осуществляют согласование с применяемым кабелем и выполняют обратное преобразование при принятии от сети поступающих данных.

В локальных компьютерных сетях чаще всего применяются либо коаксиальный кабель (типа телевизионного антенного кабеля), либо кабель "витая пара" (два скрученных провода, помещенных в защитную оболочку). Для этих кабелей требуются различные разъемы, которые, естественно, должны быть на сетевой карте. Обычно на сетевой карте имеется либо один разъем для витой пары (UTP), либо два разъема (Combo) - для витой пары и коаксиального кабеля.

Выбор сетевой карты зависит от используемой в сети скорости передачи данных. В настоящее время в локальных сетях реализуются два стандарта: 100 и 10 Мбит/с.

Факс-модемы. Факс-модемы выполняют преобразование сигнала для передачи его по телефонной линии. Они выпускаются в двух исполнениях - внешние и внутренние. Внешние модемы как отдельные устройства подсоединяются к ПК через один из портов с помощью кабеля, и имеют автономное электропитание. Внутренний модем представляет собой печатную плату, вставляемую в разъем (слот) соответствующей шины на материнской плате.

Мониторы и видеокарты. Большое внимание при выборе (и сборке) компьютера должно быть уделено видеосистеме, включающей в себя видеокарту (видеоадаптер), графический ускоритель (акселератор), монитор.

Монитор - это устройство визуального отображения данных. Мониторы характеризуются принципом действия и размером экрана.

Размер экрана измеряется (обычно в дюймах) по диагонали между противоположными углами. Жидкокристаллические мониторы (LCD) обладают абсолютно плоским экраном, высокой разрешающей способностью и являются наиболее перспективными. Они применяются в основном в переносных (notebook) ПК, однако все чаще включаются в состав настольных компьютеров. Недостаточное их распространение определяется относительно высокой ценой, и размером экрана монитора, который также ограничивается в основном ценой. Выпускаются жидкокристаллические мониторы с размером экрана по диагонали 100 см и более. При этом габариты их по толщине таковы, что их можно повесить на стену. Главный недостаток таких мониторов, с которым успешно борются разработчики, заключается в том, что естест венные изображения сохраняются при угле зрения около 900(перпендикулярно экрану). Традиционные мониторы основаны на использовании электронно-лучевых трубок (ЭЛТ). В настоящее время производство таких мониторов с размером экрана 14 дюймов по диагонали практически свёрнуто. Мониторы с чёрно-белым изображением применяются только в специальных целях (кассы, банки и т.п.). Для домашних применений в основном приобретаются цветные мониторы с размером 15" или 17" по диагонали. Следует отметить, что видимая часть экрана, которая используется для вывода изображения, меньше размера, указанного в паспорте монитора, примерно на 1см. Изображение на экране монитора на базе ЭЛТ получается в результате облучения светящегося (люминофорного) покрытия направленным пучком электронов. Для получения цветного изображения люминофорное покрытие содержит точки трёх типов, светящихся красным (R),зелёным (G) и синим (B) цветами. Чтобы на экране все три луча, которые генерируют три цвета, сходились строго в одну точку и изображение было чётким, перед светящимся слоем ставят маску - панель с регулярно расположенными отверстиями или щелями, выполненную, например, из вертикальных проволочек. Чем меньше шаг между отверстиями или щелями (шаг маски), тем чётче и точнее получается изображение. Шаг маски измеряется в миллиметрах. В настоящее время наиболее распространены мониторы с шагом маски 0,24-0,28 мм. Частота регенерации (обновления) изображения показывает, сколько раз в течение секунды на экране полностью сменяется изображение. Иногда частоту регенерации называют частотой кадров. Частоту регенерации измеряют в герцах (Гц). Чем выше частота, тем чётче устойчивее изображение, тем меньше утомление глаз при длительной работе. Минимальным для комфортной работы считается частота регенерации 75 Гц и выше. Важной характеристикой монитора является класс защиты с точки зрения требований техники безопасности. Класс защиты определяется действующими стандартами, ограничивающими, прежде всего, уровень электромагнитного излучения монитора.

Существуют также эргономические и экологические нормы по параметрам, определяющим качество изображения (яркость, контрастность, мерцание, антибликовые свойства покрытия). Для профессиональных применений используются мониторы с размером экрана 17, 19, 21 дюймов по диагонали. Главной проблемой ЭЛТ большого размера являются искажения изображения по краям экрана. Для уменьшения этих искажений применяют сложные системы управления электронным пучком, формирующим изображение. С увеличение разрешения монитора (количество точек по вертикали и горизонтали) области видеопамяти в ОЗУ оказалось недостаточно для хранения графических данных, а центральный процессор перестал справляться с построением и обновлением изображения. Поэтому операции, связанные с графическими данными, переданы отдельному устройству, получившему название видеоадаптера или видеокарты. Видеокарта вместе с монитором образует видеосистему компьютера. На видеокарту возложены функции видеоконтроллера, видеопроцессора и видеопамяти.

Известны различные поколения видеоадаптеров: MDA (монохромный), GGA (4 цвета), EGA (16 цветов), VGA (256 цветов). Видеоадаптеры SVGA обеспечивают воспроизведение до 16,7 млн цветов с возможностью выбора разрешения экрана из стандартного ряда значений: 640x480, 800x600, 1024x768, 1280x1024, 1600x1400 точек. Разрешение экрана - один из важнейших параметров видеосистемы. Чем выше разрешение, тем больше информации можно отобразить на экране; при этом меньше становится размер каждой отдельной точки, и тем самым меньше видимый размер элементов изображения. Для каждого размера экрана монитора, для каждой программы можно выбрать наиболее подходящее разрешение. Использование высокого разрешения на мониторе малого размера приводит к тому, что элементы изображения становятся мелкими и не разборчивыми. При использовании низкого разрешения на экранах большого размера элементы изображения становятся чрезмерно крупными. Если программа имеет сложный и насыщенный элементами интерфейс, то они не полностью умещаются на экране, что затрудняет работу.

Многие современные (особенно игровые) программы требуют высокого разрешения экрана и значительных объёмов видеопамяти. В настоящее время обычным является объём 64 Мбайт, но в ряде случаев уже требуется больший объём видеопамяти. Выбор конфигурации компьютера. Первое, что должен решить для себя будущий пользователь - это определиться с габаритами системного блока, т.е. выбрать так называемый форм-фактор корпуса (case). В течение длительного времени на рынке доминировали корпуса вертикального исполнения формата AT или mini-tower ("малая башня"). Корпуса горизонтального исполнения в основном представляют очень известные и потому дорогие фирмы ("Brand Name"). Корпус формата AT достаточно компактен, занимает не слишком много места на рабочем столе. Однако недостаток места внутри корпуса приводит к трудностям при модернизации ПК и размещении в нем дополнительных устройств. Теснота внутри корпуса является причиной неудовлетворительного теплового режима работы размещённых в нем устройств. В настоящее время выпуск корпусов формата AT практически прекращён. Корпуса формата ATX (midi-tower) имеют достаточные размеры для размещения как основных, так и дополнительных устройств, в том числе и дополнительных вентиляторов, что очень важно в связи с высокой теплоотдачей современных процессоров. Блоки питания в корпусах ATX обычно обладают большей мощностью и обеспечивают возможности программного управления режимами питания. Выбор размера корпуса определяет выбор форм-фактора системной (материнской) платы. В названиях (типах) материнских плат всегда присутствует указание на форм-фактор AT или ATX. В корпусах AT и ATX вертикального исполнения материнская плата с помощью пластмассовых ножек и винтов устанавливается на специальной вертикальной (боковой) стенке, на которой имеется стандартизованный набор отверстий. Обычно плата привинчивается к стенке после установки на неё процессора с вентилятором и модулей памяти. Блок питания в корпусе AT имеет два жгута с разъёмами, которые (оба) вставляются в соответствующий разъём на материнской плате. Необходимо обратить внимание на то, чтобы чёрные провода в жгутах были расположены рядом друг с другом (к центру разъёма на материнской плате). В корпусе формата ATX разъём у жгута блока питания один, и подключение его к материнской плате не вызывает проблем.

Выпускаются также материнские платы, которые могут быть установлены как в корпус AT, так и ATX. Соответственно на них имеется два разъёма для подключения жгутов питания. Следующим принципиальным моментом в выборе конфигурации ПК является выбор процессора. С учётом моды и престижности многие пользователи ориентируются на самые последние достижения науки и техники в области процессоров. В качестве основания обычно указывают на то, что такой компьютер не слишком быстро морально устареет. Однако на самом деле главными факторами здесь являются круг задач, которые предполагается решать с помощью ПК, и цена. Если ПК используется только в качестве "пишущей машинки", то основным фактором является его цена. Нужно учитывать также то, что, как показывают специально проводимые тесты, при решении "массовых" задач самые дорогостоящие и мощные процессоры не дают заметного преимущества перед моделями, стоящими значительно меньше. В настоящее время оптимальным для большинства пользователей (особенно домашних) является процессор Celeron фирмы "Intel" с тактовой частотой, которая позволяет использовать наиболее современные чипсеты материнских плат. Сейчас этому соответствую тактовые частоты больше 667 МГц (до 2400 МГц). Однако необходимо иметь в виду, что на сегодняшний день процессоры Celeron работают с частотой 66 МГц системной шины. Необходимо обратить внимание также на наличие встроенной в процессор кэш памяти второго уровня (L2) объёмом не менее 128 Кбайт. Обычно (начиная с Pentium 2) это условие выполняется. Важным моментом является тип разъёма, который необходим тому или иному процессору. Если разъём на материнской плате не совпадает с требуемым для процессора, то можно использовать специальные переходники (в виде небольших печатных плат). Также необходимо обратить внимание на тип вентилятора, охлаждающего процессор, который должен конструктивно соответствовать выбранному процессору. Современные материнские платы в большинстве случаев автоматически "распознают" установленный процессор, и в первом приближении дополнительных настроек не требуется. Принтеры.Поскольку подготовка документов с последующим выводом на бумагу является одной из основных областей применения ПК, в состав компьютера (домашнего или рабочего) включается принтер. Существует три основных типа принтеров: матричные, струйные и лазерные.

В матричных принтерах изображение на бумаге формируется при ударе печатающей головки принтера по красящей ленте. Печатающая головка содержит набор (матрицу) иголок (9 или 24), которые выдвигаются в нужной комбинации в соответствии с сигналами от компьютера. Печатающая головка перемещается вдоль бумаги в горизонтальном направлении. Скорость печати матричных принтеров относительно невелика, и достаточно высок уровень шума при печати. Несмотря на кажущуюся устарелость матричных принтеров, они продолжают совершенствоваться и широко применяться в связи с высоким качеством печати, относительно невысокой стоимостью и возможностью печати несколько экземпляров документов "под копирку". Принцип печати в струйных принтерах похож на тот, который используется в матричных устройствах, только вместо иголок и печатающей головки на бумагу "выстреливают" мельчайшие капли красящих чернил. Эти принтеры почти безшумны при печати, скорость печати достаточно высока. Одним из главных достоинств струйных принтеров простая возможность цветной печати, которая реализуется путём смешения чернил трёх основных цветов (RGB - красный, зелёный, синий). Струйные принтеры наиболее предпочтительны для домашнего применения в связи с их невысокой стоимостью и высоким качеством печати. Однако нужно иметь в виду, что расходные материалы к ним (картриджи) достаточно дорогие. В лазерных принтерах изображение на бумаге формируется в результате сложного технологического процесса, схожего с применяемым с копировательно-множетельных аппаратах. Луч лазера разной интенсивности в соответствии с выводимым изображением попадает на барабан, участки поверхности которого в различной степени электризуются в зависимости от освещённости. Барабан помещается в среду красящего порошка, который прилипает к нему в разной плотности в зависимости от степени его наэлектризованности. Затем барабан прокатывается по бумаге, и изображение высушивается. Качество выводимых лазерным принтером изображений очень высоко, производительность даже у массовых принтеров составляет 5-8 страниц в минуту. Лазерные принтеры, обеспечивающие цветную печать, очень дороги и не находят пока широкого распространения. При выборе печатающего устройства большое значение имеет стоимость расходных материалов и, прежде всего, сменных картриджей. Картридж матричного принтера, содержащий лишь красящую ленту, очень дешев. Картриджи струйных принтеров (для чёрно-белой, цветной и фотопечати) достаточно дорогие (20-30 $ и выше). При ресурсе картриджа 300-1000 листов среднезаполненных листов формата А4 стоимость печати одного листа составляет 0,05-0.1 $ (примерно 15-30 коп.). Фотопечать, т.е. вывод изображений фотографического качества, обходится на порядок дороже, в том числе за счёт высокой стоимости специальной бумаги. Картриджи лазерных принтеров стоят более 50 $ и имеют ресурс около 3000 листов формата А4 (текст средней плотности) и, следовательно, стоимость печати одного листа составляет приблизительно 0,5 коп. Картриджи струйных и лазерных принтеров могут быть вторично заправлены (соответственно чернилами и порошком), что снижает затраты на печать. Итак, рассмотрена логическая структура и состав персонального компьютера. Приведены основные характеристики устройств ПК. Основное внимание уделено тенденциям развития технических средств и принципам выбора конфигурации компьютера.

Термины и определения в области информатики.

1.BIOS (Basic Input-Output System)Базовая система ввода-вывода - набор служебных программ, находящихся в постоянном запоминающем устройстве компьютера; предназначен для управления начальной загрузкой компьютера и взаимодействием со стандартными устройствами.2.CD-ROMУстройство чтения данных с компакт-диска.3.E-mail (Electronic mail)Электронная почта - один и основных видов услуг в компьютерных сетях, в частности, в Интернете.4.Eureka (Эврика)Программа, предназначенная для немедленного решения несложных вычислительных задач; отличается простотой описания математических задач.5.FAT-таблицаТаблица адресов размещения файлов на диске.6.WYSIWYGWhat You See Is What You Get - принцип соответствия представления документа на экране монитора и на бумаге при печати.7.TCP/IPTransfer Control Protocol / Internet Protocol - группа стандартных протоколов обмена данными между компьютерами в Интернете.8.ASCIIУниверсальный стандарт кодировки символов двоичным кодом.9.HTTPHyperText Transfer Protocol - протокол, система правил, используемых в сети Интернета при передачи гипертекстовых документов.10.IP-адресУникальный числовой адрес отдельного компьютера в Интернете. Записывается в виде четырех десятичных чисел от 0 до 255, разделённых точками.11.Microsoft ExcelТабличный процессор в составе MS Office.12.Microsoft OfficeПакет программ фирмы Microsoft, предназначенный для автоматизации офисных работ.13.Microsoft PowerPointПрограмма подготовки презентаций в составе пакета MS Office.14.Microsoft WordТекстовый редактор в составе пакета MS Office.15.MS-DOCДисковая операционная система фирмы Microsoft.16.Norton CommanderПрограммная оболочка, предназначенная для обслуживания машинных носителей и файловой структуры.17.OLE (Object Linking and Embedding)Связывание и внедрение объектов - технология Microsoft, позволяющая включать в документ одного приложения (OLE-клиента) объекта, созданного в другом приложении (OLE-сервера), с возможностью редактировать этот объект средствами OLE-сервера.18.Web-страницаОсновной структурный элемент Word Wide Web (WWW) ("всемирной паутины") - документ в Сети, которой может содержать текст, графику, мультимедийные объекты, а также ссылки на другие документы в Интернете.19.World Wide Web (WWW)"Всемирная паутина" - гипертекстовая информационно-поисковая система в Интернете, содержащая блоки данных (Web-страницы), размещенные на отдельных компьютерах (Web-сервисах); информационное пространство, среда для обмена информацией на основе протокола передачи гипертекстовых данных (HTTP).20.АбзацСтруктурный элемент текста. В MS Word - фрагмент текста, ограниченный кодами клавиши <Enter>.21.АвтозаменаАвтоматическая замена символов на другие при вводе.22.АвтотекстВвод фрагмента текста по его имени или из библиотеки Автотекста.23.АлгоритмОднозначная последовательность действий, выполнение которой приводит к решению поставленной задачи.24.Арифметическо-логическое устройство (АЛУ)Устройство в составе процессора, предназначенное для выполнения арифметических и логических операций по обработке данных.25.Архивирование файловСлужебная операция, выполняемая с помощью специальных программных средств, позволяющая упаковать файл или группу файлов в один файл-архив для экономии места на машинных носителях данных и ресурсов каналов связи.26.Видеоадаптер (видеокарта)Устройство обработки данных для отображения их на экране монитора.27.БраузерBrowser - программное средство просмотра Web-страниц в Интернете.28.БайтСовокупность восьми бит (восьмиразрядное двоичное число), воспринимаемая компьютером обычно как единое целое; минимальная единица измерения объема памяти компьютера. 29.БитМинимальное количество информации; Единица измерения количества информации; Двоичный разряд (цифра двоичной системы счисления).30.Буфер обмена (Clipboard)Область памяти, которую MS Windows выделяет на время работы для обмена данными между документами и приложениями.31.Гибкий дискСъемный магнитный носитель для постоянного хранения данных (в виде файлов).32.Гигабайт (Гб)230 байт.33.ГиперссылкаОбъект (текстовый, графический) в гипертекстовом документе, в который встроен указатель на другой документ.34.ГипертекстДокумент, который содержит наряду с обычными данными ссылки на другие документы (гиперссылки).35.Главное меню WindowsМеню кнопки <Пуск>.36.Графический редакторПрограмма, предназначенная для создания и обработки графических данных.37.ДанныеИнформация, представленная в формализованном виде и предназначенная для хранения и обработки техническими средствами, например с помощью компьютера (ЭВМ).38.Диалоговое окноПрямоугольный сегмент экрана монитора для ввода данных и для управления работой приложения. Вызываемое командой окно, предназначенное для настроек, установок программы или определенного режима, действия. 39.ДокументОбъект обработки прикладной программы.40.Документ MS WordОбъект, обрабатываемый программой MS Word и содержащий текстовые ( в основном), табличные, графические, формульные и другие данные.41.Документ программы MathcadОбъект, обрабатываемый программой Mathcad и содержащий описание задач в виде, максимально приближенном к обычному математическому. 42.Драйвер (Driver)Системная (служебная) программа, обеспечивающая взаимодействие между прикладной программой и устройствами компьютера (памятью, внешними устройствами).43.Жесткий дискНесъемный (обычно) магнитный носитель для постоянного хранения данных (в виде файлов).44.ЗадачаВыполняемая программа-приложение.45.Звуковая картаПлата, содержащая устройства обработки звуковых данных.46.Имя файлаОбозначение файла, содержащее собственно имя файла и расширение имени файла, разделяемые точкой; имя файла в Windows - это последовательность любых (кроме специальных) символов (до 255).47.Интернет (Internet)Глобальная информационная сеть, не имеющая определённой организационной структуры, представляющая объединение самостоятельных компьютерных сетей, созданных правительствами, научными, коммерческими и некоммерческими организациями.48.ИнформатикаНаука, которая изучает общие законы, методы и средства организации, переработки и использования информации на основе современных средств вычислительной техники и средств телекоммуникации. 49.Информационная системаВзаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения, обработки и распространения (выдачи) информации в интересах достижения поставленной цели.50.Информационная услугаПолучение и предоставление в распоряжение пользователя информационных продуктов.51.Информационные процессыПроцессы сбора, накопления, хранения, обработки (переработки), распространения (передачи) и использования информации.52.Информационные технологииМетоды и средства реализации информационных процессов на основе современных средств вычислительной техники и средств телекоммуникации.53.Информационный продуктСовокупность данных, сформированная производителем для распространения в любой форме на коммерческой или некоммерческой основе.54.Информационный рынокРынок информационных продуктов и услуг, представляет собой систему экономических, правовых и организационных отношений по торговле продуктами интеллектуального труда.55.ИнформацияЛюбые сведения (знания) об окружающем мире, о протекающих в нем процессах и явлениях, которые воспринимают живые организмы, управляющие машины и другие информационные системы.Отражение реального предметного мира с помощью сведений (сообщений), выражаемых в виде сигналов и знаков.Сведения об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состоянии, которые уменьшают степень неопределенности, неполноту знаний об этих объектах или явлениях.56.Каталог (директория)В MS-DOS - поименованная область на машинном носителе, содержащая файлы или подкаталоги (или пустая).57.КегльВ полиграфии - средняя высота шрифта; измеряется в пунктах.58.Килобайт (Кб)210 = 1024байт.59.КлавиатураСтандартное устройство для ввода данных и управляющих воздействий в компьютер.60.КлиентПрограммное средство или компьютер; клиенты запрашивают услуги у серверов.61.Книга MS ExcelОбъект, обрабатываемый программой MS Excel и содержащий набор листов, каждый из которых является таблицей.62.Кодовая таблица символовВнутреннее представление символов в компьютере. Каждый символ представляется десятичным числом (от 0 до 255), размещаемым в одном байте. Нижняя половина таблицы (ASCII, коды 0-127) является мировым стандартом, в частности, для кодирования символов латинского алфавита; верхняя половина таблицы (коды 128-255) используется в разных странах для кодирования своих алфавитов.63.КолонтитулСтруктурный элемент документа в верхней и/или нижней части страницы, содержимое которого повторяется на каждой странице документа в пределах одного раздела.64.Командный (пакетный) файлТекстовый файл с расширением имени.bat (в MS-DOS), содержащий последовательно выполняемые команды (например, команды запуска программ).65.Контекстное менюМеню, содержащее команды, операции, соответствующие конкретной ситуации (контексту), и вызываемое щелчком правой кнопки мыши по соответствующему объекту.66.Курсор мышиМетка на экране монитора, предназначенная для выполнения команд, операций, действий; вид курсора указывает на активный режим. 67.Локальная вычислительная сеть (ЛСВ)Несколько компьютеров, соединенных между собой кабелями связи с целью обмена данными между пользователями и совместного использования ресурсов (программ, данных, дисковой памяти, периферийных устройств).68.Мегабайт (Мб)220 байт.69.МенюНабор объектов для выбора (команд, операций флажков, кнопок) на экране монитора.70.МониторУстройство отображения (вывода) данных на экране электронно-лучевой трубки.71.Монитор LCDМонитор на основе жидкокристаллической матрицы.72.НГМДНакопитель на гибком магнитном диске (винчестер, HDD).73.НЖМДНакопитель на жестком магнитном диске (винчестер, HDD).74.Окно документаПрямоугольный сегмент экрана, в котором размещается документ Windows; может располагаться внутри окна программы-приложения.75.Окно приложенияПрямоугольный сегмент экрана , соответствующий выполняемой программе-приложению.76.Оперативная памятьСовокупность электронных устройств (ячеек), каждая из которых может хранить комбинацию нулей и единиц - один байт. Ячейки нумеруются, начиная с нуля (адрес ячейки). 77.Операционная системаНабор (комплекс) программ служебного характера, которые обеспечивают взаимодействие составных частей вычислительной системы друг с другом и взаимодействие компьютера с пользователем при решении практических задач.78.ОтступРасстояние от края выделенной для текста области до текста слева или справа.79.Палитра (наборное поле)Окно в программе Mathcad, содержащее набор кнопок, вызывающих шаблоны для ввода, ввод символов и директив.80.Панели инструментовНабор инструментов (кнопок, полей) в окне программы или папки, предназначенных для быстрого выполнения основных операций.81.Панель задачОбъект рабочего стола Windows, содержащий кнопку <Пуск> и ярлыки, связанные с некоторыми программами и режимами.82.Панель инструментовЭлемент графического интерфейса в Windows, содержащий инструментарий для выполнения операций и управления программой.83.ПапкаАналог каталога в MS Windows.84.ПереключательПункт меню, пиктограмма панели инструментов, поле диалогового окна. Служит для указания, будет или не будет выполняться некоторая функция или включен некоторый режим. Называют также флажком.85.Пиктограмма Графическое представление на экране монитора в Windows папки, файла, окна, ярлыка, инструмента. Называют также значком, иконкой.86.ПолеРасстояние от края страницы выбранного размера до выделенной для текста области слева, справа, сверху, снизу.87.Полоса выделенияОбласть окна программы MS Word слева от текста, отмечаемая курсором мыши в виде стрелки, наклоненной вправо, и предназначенная для выделения строчных фрагментов. 88.ПрезентацияНабор слайдов (картинок), созданный специальной программой и предназначенный для последовательного показа на экране монитора или на настенном экране (с помощью проектора). Каждый слайд может содержать текстовую, графическую, аудио- и видеоинформацию.89.ПриложениеВ Windows - прикладная программа.90.ПринтерУстройство отображения (вывода) данных на бумаге. Различают матричные, струйные, лазерные принтеры.91.Проводник (Windows Explorer)Программа в системе Windows, предназначенная для обслуживания машинных носителей и файловой структуры.92.ПрограммаПоследовательность команд (директив, операторов), выполнение которой компьютером приводит к решению какой- либо задачи.93.Программа MathcadПрограмма, предназначенная для решения сложных математических задач как численно, так и в символьном виде.94.ПротоколНабор соглашений о правилах формирования и форматах сообщений в компьютерной сети, о способах обмена данными между абонентами сети.95.Процессор центральный (ЦП)Микросхема, содержащая основные электронные устройства компьютера - устройство правления и арифметико-логическое устройство.96.ПунктЕдиница измерения размера шрифта или интервала. Равен 1/72 дюйма (1 дюйм = 25.4 мм).97.Рабочий стол WindowsОбъект Windows, располагающийся на экране монитора, когда все другие объекты "закрыты".98.Расширение имени файлаНабор символов (обычно от одного до трех), характеризующий тип файла.99.СерверПрограммное средство или компьютер. Серверы обеспечивают услугами подключенных к ним клиентов.100.СигналЛюбой процесс (физический и др.), несущий информацию.101.Системная (материнская) платаПечатная плата, на которой расположены разъемы подключения основных устройств компьютера и отдельные электронные устройства.102.СноскаСтруктурный элемент текста - примечание, которое располагается в нижне части страницы или в конце документа и снабжается номером или другой меткой.103.СтильНабор установок форматирования абзаца и форматирования символа, который может быть применен к выделенному фрагменту текста.104.ТаблицаСтруктура, образованная строками и столбцами. Программное средство (прикладная программа) для создания и обработки табличных данных.105.Табличный процессорПрограмма, предназначенная для обработки документов табличной структуры.106.Текстовый курсорМетка в документе, обычно в виде вертикальной мигающей черточки, которая отмечает место коррекции (ввода) текста.107.Текстовый редакторПрограммное средство для ввода и редактирования текстовых документов (текстовых файлов).108.Текстовый процессорПрограмма, предназначенная для обработки в основном текстовых документов.109.Тип файлаУказывает на содержимое файла и связывает файл с программой, его обрабатывающей.110.Устройство управления (УУ)Устройство в составе процессора, предназначенное для распознавания и организации выполнения команд процессором.111.ФайлПоименованный набор данных, предназначенный для хранения на машинных носителях или для передачи по каналам связи.112.Файловая системаУпорядоченная структура (обычно - древовидная, иерархическая) хранения файлов на машинных носителях.113.ФильтрСовокупность условий, которую указывает пользователь для поиска (выделения) каких-либо объектов.114.Формат абзаца Набор параметров абзаца (выравнивание, отступы, интервалы и др.).115.Формат символаНабор параметров шрифта (тип и размер шрифта, начертание, подчеркивание, эффекты и др.).116.Фрагментированный файлФайл, хранящийся фрагментами на свободных участках диска.117.Чипсет Набор микросхем, управляющих взаимодействий основных устройств компьютера.118.ШаблонСохраняет свойства нового документа, созданного на основе данного шаблона, в том числе надписи и рисунки, которые должны появится в каждом документе - например колонтитулы, поля для вставки даты, времени и сведений об авторе, название документа, имя файла, стандартный текст или эмблема компании; поля страницы и другие параметры макета страницы, которые устанавливаются с помощью команды Параметры страницы (меню Файл); стили; макросы; текст и рисунки, сохраненные в библиотеке Автотекста; настраиваемые панели инструментов, меню и сочетания клавиш.119.ЯрлыкСпецифический объект, представленный на экране монитора значком и предназначенный для открытия окна соответствующей программы или папки; представляет собой ссылочный файл. Объект Windows, связанный с объектами файловой структуры, объектами системы Windows или устройствами в составе компьютера.120.Ячейка таблицыИнформационная единица табличной структуры на пересечении строки и столбца; в ячейке располагаются данные.

. Статистическая обработка результатов прямых многократных измерений во время вычислительной практики

Одной из основных задач вычислительной практики является - научить студента не только правильно проводить измерения физических величин, но и точно получать количественную информацию о ней.

Основной задачей любых измерений является извлечение с заданной точностью и достоверностью количественной информации о физических величинах. Поскольку измерения практически всегда сопровождаются появлением случайных погрешностей, то обработка результатов измерений должна включать в себя операций над случайными величинами. Эти операции выполняются с помощью теории вероятности и математической статистики. Статистическая обработка результатов измерений - обработка измерительной информации с целью получения достоверных данных.

В настоящее время в отечественной метрологии наибольшее развитие получила теория измерений, основанная на понятии "погрешность" и являющаяся пока основой для большинства действующих в Российской Федерации нормативных документов. Дело в том, что при проведении практических измерений всегда важно оценить их точность. Понятие "точность измерений", т.е. степень приближения результатов измерения к истинному значению, обычно используют для качественного сравнения измерительных операций. Для количественной оценки применяют понятие "погрешность измерений". Поэтому для экспериментатора нахождение погрешности измерений - одно из важных действий по обеспечению единства измерений.

Задача статистической обработки результатов многократных измерений заключается в нахождении измеряемой величины и доверительных границ, в которых находится её истинное значение. Статистическую обработку используют для повышения точности многократных измерений, а также определения статистических характеристик случайной погрешности. Вместе с тем из результатов измерений невозможно полностью исключить и систематические погрешности измерений. И поскольку всегда остаются неисключенные систематические погрешности (НСП), то для их уменьшения статистическая обработка результатов измерений также необходима.

Для прямых однократных измерений статистическая обработка менее сложна и громоздка, что значительно упрощает оценку погрешностей. В производственных условиях точность таких измерений обычно оказывается вполне приемлемой. Вместе с тем практически всегда необходимо провести оценку их результатов.

Если в результатах измерений один или два существенно отличаются от остальных, а наличия ошибки в снятии показаний, описки и других ошибок не обнаружено, то необходимо проверить, не являются ли они промахами, подлежащими исключению.

Необходимость в многократных измерениях некоторой физической величины xи=xд=A (обозначение A введено для удобства) возникает при наличии в процессе измерений значительных случайных погрешностей. При этом задача статистической обработки в том, чтобы по результатам измерений определить значение измеряемой величины, близкое к истинному xи=A, и границы, в которых оно находится с заданной вероятностью. Задачу решают статистической обработкой результатов измерений, основанной на гипотезе о распределении случайных погрешностей по нормальному закону. Такую обработку необходимо проводить в соответствии с государственным стандартом и рекомендациями по метрологии. Методика обработки результатов измерений дается применительно к прямым многократным и равноточным измерениям и дополнена пояснениями.

Определение результата измерения и среднего квадратичного отклонения (средней квадратичной погрешности) СКО (СКП). Для удобства анализа предположим, что при выполнении п многократных прямых измерений одной и той же физической величины xи=A постоянная систематическая погрешность ?с полностью исключена (равна нулю). Тогда результат i-го измерения xi=xи+Ai получают с некоторой абсолютной случайной погрешностью Д, записанную в виде:

?i=?io=xi+xи

При нормальном законе распределения случайной погрешности ?i а истинную величину xи=A принимают её среднее арифметическое значение, равное математическому ожиданию m1 выполненного ряда из n измерений, т.е. полагают, что x=A=m1 есть результат измерения

= (1)

Зная результат измерения величины xи вычисляют абсолютную погрешность каждого из n измерения

Центральный момент второго порядка, называемый дисперсией (англ. dispersion), характеризует расстояние погрешностей относительно центра распределения ?=0

Чем больше дисперсия, тем значительнее рассеяние погрешностей относительно центра распределения (среднего значения; англ. average value; часто mean value). Дисперсия имеет размерность квадрата погрешности и поэтому неудобна как характеристика рассеяния. Обычно вместо дисперсии используют среднюю квадратичную погрешность (СКП; далее пока более применимое среднее квадратичное отклонение - СКО)

(2)

Которая имеет размерность самой погрешности. Далее, воспользовавшись формулами (1) и (2), находят СКО величины , характеризующую точность метода измерений.

(3)

Результат измеряемого значения xи зависит от числа измерений n и безусловно является случайной величиной. Поэтому удобно вычислять СКО величины , которую назовём СКО результата измерения, записав , или проще .

Данное СКО характеризует степень разброса измеренных значений по отношению к истинному значению xи и для различных n определено по формуле (2) как

(4)

Формулы (3) и (4) соответствуют центральной предельной теории вероятностей и показывают, что точность метода (это относится к одному измерению) и точность результата многократных измерений увеличиваются с ростом числа n.

Среднее арифметическое значение ряда n измерений всегда имеет меньшую погрешность, чем погрешность одного определенного измерения. Это отражает формула (4), определяющая фундаментальный закон теории погрешностей, из которого следует что для повышения точности результата (при исключенной систематической погрешности), например, в 2 раза, необходимо число измерений увеличить в 4 раза; если требуется повысить точность измерений в 5 раз, то их число увеличивают в 25 раз и т.д.

Следует четко разграничивать применение СКО и величину используют при оценке погрешностей окончательного результата многократных измерений, а - при оценке погрешности одного определённого измерения (т.е. метода измерений).

Рассмотрим случай многократных измерений, когда результат конкретного i-го измерения содержит и случайную , и постоянную систематическую составляющие погрешности, т.е.

(5)

Подстановка значений xi в формулу (1) позволяет получить результат измерений x в следующем виде:

(6)

Из этого выражения следует, что многократные измерение и увеличение их числа n не влияют на систематическую составляющую погрешности результата измерений, но уменьшают случайную (за счет разных знаков отдельных погрешностей - очевидно, что они могут быть как со знаком "+", так и со знаком "-"). Поэтому в случае, когда в результате многократных измерений преобладает систематическая погрешность (например, при использовании прибора малой точности), следует ограничиться одним-двумя измерениями. Вопрос ограничения числа многократных измерений рассмотрен ниже.

Актуальность данного вопроса - первопланова, т.к. неопытному оператору (студенту первокурснику) трудно получить (без промахов) точную количественную информацию. Поэтому одной из основных задач вычислительной практики является - научить студента не только правильно проводить измерения физических величин, но и точно получать количественную информацию о ней.

Обнаружение и исключение промахов из результата измерений. При однократном измерении величины промах может быть обнаружен только путем логического анализа или сопоставления результата с априорной информацией о нем. Если причина промаха установлена, то результат однократного измерения следует признать ошибочным и повторить измерение. При многократных измерениях одной и той же величины постоянного размер промахи проявляются в том, что результаты отдельных измерений, входящих в один ряд, резко отличаются от остальных результатов этого ряда.

Решение задачи исключения промахов выполняют общими методами проверки статистических гипотез. Проверяемая гипотеза состоит в утверждении, что результат i-го измерения xi не содержит промаха, т.е. является одним из значений измеряемой величины. Пользуясь определенными статистическими критериями, пытаются опровергнуть выдвинутую гипотезу. Если это удается, то этот результат измерения рассматривают как промах и его исключают.

Общие методы исключения промахов. Вопрос об исключении промахов невозможно однозначно решить в общем виде, поскольку для принятия такого решения требуется тщательный анализ конкретных целей измерений, особенностей средств измерений и характера поведения измеряемой величины. Особую осторожность следует проявлять тогда, когда исследуются процессы с малоизученными характеристиками. Разработка и анализ методов исключения имеют большое практическое значение, поскольку при использовании сложной измерительной аппаратуры доля аномальных результатов может достигать 10..15% общего числа измерений.

Рассмотрим методики использования некоторых критериев.

Критерий "трех сигм". Данный критерий применяют для результатов измерений, распределённых по нормальному закону, и одним из граничных параметров служит оценка СКО измерений . По этому критерию считается, что результат, полученный с уровнем значимости q < 0.003 (соответственно вероятностью P > 0.997), маловероятен и его можно считать промахом, если . Значения q и вычисляют без учета экспериментальных xi. Данный критерий достаточно хорошо работает при числе измерений n

Критерий оценки аномальности (иногда - анормальности) результатов измерений при неизвестном СКП (СКО) . При исключении по этому критерию промахов из результатов измерений проводят такие операции.

. Результаты группы из n многократных измерений, называемые выборкой, упорядочивают по возрастанию xj<x2<…< xn. По формулам (1) и (3) вычисляют среднее арифметическое значение и СКО этой выборки. Для предполагаемых промахов, которыми могут быть, например, показания x1 и xn проводят расчет коэффициентов

(7)

. Задаются уровнем значимости критерия ошибки q. Очевидно, этот уровень должен быть достаточно малым, чтобы вероятность ошибки была невелика. Из таблицы 5.1 по заданным параметрам q и n находят предельное (граничное) значение коэффициента

(8)

. Сравнивают коэффициенты, определяемые по формулам (7) и (8) выполняются условия ?1> ?г и ?n> ?г, то результаты x1 и xn относят к промахам и исключают из полученных результатов измерений физической величины.

Таблица 3 Предельное значение коэффициента ?г

Число измерений nПредельное значение ?г при уровне значимости q Число измерений nПредельное значение ?г при уровне значимости q0,1000,0750,0500,0250,1000,0750,0500,02531,151,151,151,15122,132,202,292,4141,421,441,461,48132,172,242,332,4751,601,641,671,72142,212,282,372,5061,731,771,821,89152,252,322,412,5571,831,881,942,02162,282,352,442,5881,911,962,032,13172,312,382,482,6291,982,042,112,21182,342,412,502,66102,032,102,182,29192,362,442,532,68112,092,142,232,36202,382,462,562,71

Как видно из данных табл. 3, с уменьшением уровня значимости q коэффициент ?г увеличивается при выбранном числе измерений п. Это означает, что при снижении значения q все меньше число результатов измерений может быть отнесено к промахам поскольку усложняется выполнение условия ?i> ?г. Поэтому слишком малые значения не используют, и они в табл.3 не показаны.

Пример 5.1. При измерении сопротивления резистора получена упорядоченная выборка пяти следующих значений: 180; 182; 183; 184; 196 Ом. Требуется оценить результат измерения 196 Ом при заданном уровне значимости ошибки q=0,05.

Решение. Для данной выборки по формулам (1) и (4) вычислим оценки среднего арифметического значения Ом и СКО измерений =6,3 Ом. Затем с помощью (7) вычислим ?5=1,75. По табл.3 для n=5 и q=0,050 найдём ?г=1,67. Так как ?5> ?г, то результат 196 Ом считаем промахом и исключаем из выборки измерений.

Пример 5.2. Проверить результаты 18 измерений сопротивления резистора R(Ом) представленные в табл.4, на наличие грубых погрешностей (промахов).

Таблица 4 Результаты измерений

Ri8,6198,3808,4988,4848,3408,5268,3948,6418,420Ri8,5538,5228,4088,2838,4948,3998,5618,5518,669

Решение. Упорядочим результаты измерений Ri по возрастанию (см. табл.5) и введем их нумерацию.

Таблица 5 Упорядоченные результаты измерений

i123456789Ri8,2838,3408,3808,3948,3998,4088,4208,4848,494I101112131415161718Ri8,4988,5228,5268,5518,5538,5618,6198,6418,669

Проверим, не относится ли минимальное R1=8,283 Ом и максимальное R18=8,669 Ом значения измерений к грубым погрешностям. Порядок проверки следующий.

. С помощью формул (1) - (4) последовательно вычислим результат измерений , абсолютную погрешность каждого измерения (расчетные значения представлены таблице 6) и СКО проверенных измерений .

Ом

Таблица 6. Расчетные значения к примеру 5.2

i123456789-0,203-0,146-0,106-0,092-0,087-0,078-0,066-0,0020,008i1011121314151617180,0120,0360,0400,0650,0670,0750,1330,1550,183

. Приведем Расчет коэффициентов ?1 и ?18 по формуле (7)

3. Задаем уровнем значимости ошибки q=0,1. По числу приведённых измерений n=18 и значению q=0,1 из табл.3 найдем значение коэффициента ?г=2,34.

. Убедимся, что результаты измерений R1 и R18 не являются грубыми погрешностями, так как ?1 < ?г и ?18 < ?г и сделаем аналогичный вывод для всех результатов измерений.

При небольшом числе измерений (до 10) рекомендовано использовать критерий Шовине. Согласно этому критерию, промахом считают результат xi, если абсолютная разность превышает значения СКО ? с некоторым коэффициентом, зависящим от числа многократных измерений n:

Пример 5.3. При 10 измерениях напряжения получены следующие результаты: 12,10; 12,12; 12,07; 12;40; 12,08; 12,13; 12,15; 12,16; 12,20; 12,17 В. Следует проверить, не является ли промахом значения напряжения 12,4 В?

Решение: Обработав полученные результаты измерений, получим такие значения:

Согласно критерию Шовине (9) . Значит четвёртый результат измерения 12,40 В является промахом.

Пример 5.3а. При измерении восьми значений емкости конденсатора получены следующие результаты: 1338, 1315, 1344, 1361, 1321, 1384, 1367 и 350 используя критерий Шовине, не является ли пятый результат промахом?

Решение: находим среднее арифметическое по формуле

Тогда =1347,5. Определяем разность между каждым измеренным результатом и средним значением. Тогда имеем: (-9,5)2=90,25; (-32,5) 2=1056,25; ..2,52=6,25; посчитаем по формуле:

пФ

Тогда согласно критерию Шовине (9):

Следовательно, данное измерение (1384) не является промахом.

. Приборы, используемые для практических работ во время прохождения вычислительной практики. Основные правила по технике безопасности при работе с электроизмерительными приборами

Ампервольтомметр. Аналоговый омметр [9]. Комбинированный переносный прибор (ампервольтомметр Ц4313 (тестер)) (рисунок 50) предназначен для непосредственного, измерения тока и напряжения в цепях постоянного и переменного тока, сопротивления постоянному току, емкости и относительного уровня переменного напряжения.

Рисунок- 50 Тестер - комбинированный прибор.

Малое потребление прибора (20000 Ом/В при постоянном напряжении и 2000 Ом/В при переменном напряжении) позволяет производить измерения без заметных нарушений режима j исследуемой цепи. Прибор выпускается в модификациях: Ц4313 - для работы при температуре окружающего воздуха от минус 10 до +40°С и относительной влажности до 80%.Прибор имеет большее количество пределов измерения. Малое количество органов управления создает удобства в эксплуатации и снижает вероятность выхода прибора из строя из-за неправильного включения. Внешний вид прибора(рисунок) соответствует требованиям архитектоники. Принцип действия тестера. В приборе применен измерительный механизм магнитоэлектрической системы на растяжках с внутри-рамочным магнитом. Расширение пределов измерения по току и напряжению осуществляется путем применения шунтов и добавочных сопротивлений. Выпрямление переменного тока происходит по двух-полу периодной схеме выпрямления на германиевых диодах. Прибор измеряет среднее значение переменного тока или напряжения, но градуирован в действующих (эффективных) значениях при практически синусоидальной форме кривой (коэффициент формы КФ=1,11).Измерение сопротивлений производится по последовательной схеме магнитоэлектрического омметра. Измерение емкости производится по параллельной схеме выпрямительного микрофарадметра.

Основные правила по технике безопасности при работе с прибором Ц4313. При измерении прибором в цепях с напряжением выше 30 В необходимо выполнить требования правил техники безопасности. При измерении в цепях с высоким напряжением рекомендуется подключать и выключать прибор при выключенном напряжении в исследуемой цепи .Измерения в цепях с напряжением выше 200-300 В должны производиться в присутствии других лиц. Измерения со щупом необходимо производить одной рукой, вторая рука должна оставаться свободной во избежание прохождения электрического тока через организм человека.

Подготовка прибора к работе. Для получения правильных результатов и для предупреждения возможных повреждений прибора при пользовании им придерживаются общих правил:

а) перед измерением прибор устанавливают в горизонтальное положение;

б) стрелку прибора при помощи корректора устанавливают на начальные отметки шкал;

в) переключатель рода работы должен быть в положении, соответствующем роду измеряемой величины;

г) переключатель пределов измерения должен находиться в положении, соответствующем ожидаемому значению измеряемой величины. Если последнее не известно даже приблизительно, следует начинать измерения с максимального предела, постепенно переходя на наиболее подходящий предел;

д) включение прибора в измерительную схему производят в соответствии с маркировкой у зажимов и гнезда. При измерении на повышенных частотах емкостные токи утечки между элементами прибора и окружающими предметами могут вызвать значительные погрешности. Во избежание этого схема должна собираться так, чтобы общий зажим прибора (обозначен ) был заземлен.

е) не переключают под током переключатель пределов измерения, в особенности при измерении больших токов в цепях с высоким напряжением, так как это может привести к повреждению прибора вследствие обгорания контактов переключателя.

Сравнительно безопасным для прибора является переключение при измерении малых токов (до 60ма) в цепях со сравнительно низким напряжением (100-200 В).

ж) по окончании измерений, отключив прибор от исследуемой цепи, целесообразно установить переключатель пределов измерения в положение "600 В", а переключатель рода работы- в положение "~". Это часто предохраняет прибор от повреждения при последующих включениях, даже если они будут выполнены не правильно.

Включение прибора в исследуемую цепь производят посредством прилагаемых к прибору соединительных проводов со съемными плоскими наконечниками и съемными зажимами типа "крокодил". Соединительные провода подключают к прибору штепсельными наконечниками или надетыми на них съемными плоскими наконечниками. В том случае, когда желательно обеспечить длительный контакт, на концы соединительных проводов, которые должны подключаться к исследуемой цепи, следует надеть съемные плоские наконечники или зажимы типа "крокодил" , а для кратковременного подключения пользуются соединительными проводами со щупами.

Правила работы с прибором.

Измерение тока и напряжения - Переключатель рода работы устанавливают в положение "-" при измерении на постоянном токе или в положение "~" при измерении на переменном токе. Прибор включают в измерительную цепь зажимами иПереключатель пределов измерения устанавливают в положение, соответствующее значению измеряемого тока. Отсчет измеряемой величины производят по шкале с обозначением "-" при измерении постоянного тока и напряжения или по шкале с обозначением "~" при измерении переменного тока и напряжения.

Измерение сопротивления постоянному току. Измерения на пределах 0,5; 5; 50; 500 кОм Источником питания служит батарея сухих элементов с внутренним сопротивлением около 5 Ом. Переключатель рода работы устанавливают в положение "rx". Соединительные провода замыкают накоротко и вращением ручки "Уст. 0" устанавливают стрелку на нулевую отметку шкалы "?, к?". (Если не удается установить стрелку прибора подобным образом, следует сменить батарею сухих элементов. Диапазон регулировки рассчитан на напряжение батареи от 3,7 до 4,7 в). После указанной регулировки прибора соединительное провода размыкают и к ним присоединяют измеряемое сопротивление. Отсчет измеряемой величины" производят по шкале "?, к?"

Техническая характеристика Ц4313. Основная погрешность прибора выражается в процентах от: конечного значения шкалы при измерении силы тока и напряжения; при измерении сопротивления постоянному току, емкости и относительного уровня переменного напряжения в процентах от длины рабочей части шкалы. Длина рабочей части шкалы составляет (примерно) 62 мм. Основная погрешность прибора (±2.5%) не превышает вышеуказанных значений при нормальных значениях влияющих величин, которыми являются (наклон прибора, температура, частота, форма кривой, магнитное поле). Класс точности омметра 2,5. Этот знак наносят на шкалу прибора. Прибором Ц4313 измеряют ёмкость, ток и напряжение, относительный уровень переменного напряжения. На точность измерения влияет наклон прибора, температура окружающей среды, частота переменного тока, форма кривой, внешнее магнитное поле. Аналоговый омметр работает с последовательной и параллельной схемой включения. Наивысшая точность аналоговых омметров имеет место на середине шкалы, а по краям диапазон погрешности измерения сопротивления стремится к бесконечности. По этой причине весь диапазон разбивается на ряд поддиапазонов, которые устанавливаются так, чтобы отклонения указателя при измерении Rx находилось в средней части шкалы.

Для регулировки омметра с последовательной схемой перед измерениями замыкают накоротко его зажимы с надписью Rx и в том случае, если стрелка не устанавливается на отметке 0, перемещают её до этой отметки с помощью шунта. Регулировка омметра с параллельной схемой производится при отключенном сопротивлении Rx . Вращением рукоятки шунта указатель устанавливают на отметку шкалы, соответствующей назначению Zx=?. В некоторых омметрах для регулировки используется не магнитный шунт, а сопротивления.

Генератор. Генераторы колебаний предназначены для получения электрических сигналов различной формы с заданной амплитудой и частотой (рис. 51.).

Рисунок 51 - График колебаний сигнала

Где Um - амплитуда - максимальное отклонение от начального значения, Т(с) - время одного полного колебания, f- частота (Гц).

Измерительные генераторы (рисунок 52) широко применяются в технике при настройке и проверке приборов, определение характеристики схем, испытании сложных систем и т.д. По назначению они делятся на генераторы: сигналов низких частот (инфразвуковых и сверхвысоких частот) Г3…; сигналов высоких частот (высоких и сверхвысоких) Г4…; импульсов Г5..; шумовых сигналов Г2..; сигналов специальной формы Г6..; качающейся чистоты (свип-генераторы) Г8… Измерительные генераторы характеризуются рядом параметров, важнейшими из которых являются следующие.

Диапазон частоты выходного сигнала. Современные генераторы перекрывают широкий спектр частот от сотых долей герца до частот СВЧ - диапазона. Для получения широкого диапазона частот генераторы обычно выполняются с несколькими поддиапазонами.

Генераторы синусоидальных сигналов. В генераторах синусоидальных сигналов в качестве задающих устройств используются RC или LC-генераторы. RC-генераторы применяются в диапазоне звуковых и ультразвуковых частот, а LC-генераторы - в диапазоне высоких частот.

Инфранизкочастотные генераторы по схеме RC-или LC-генераторов не выполняются. Это объясняется тем, что на инфранизких частотах необходимы большие номиналы резисторов, конденсаторов, индуктивностей. При этом растут размеры элементов и снижается точность их изготовления. Хорошие результаты измерений можно получить, используя схему генератора синусоидальных сигналов RC. Выходной сигнал данной схемы является решением дифференциального уравнения следующего вида:

(1)

Решая данное уравнение, получаем

Рисунок -52 генератор синусоидальных сигналов

Т.е. синусоидальный сигнал с частотой

Интеграторы и инверторы генератора выполняются на операционных усилителях. Плавное изменение частоты выходного сигнала осуществляется изменением коэффициентов деления a1 и a2, а ступенчатое - изменением значений резисторов и конденсаторов, определяющих постоянную времени интеграторов. Схема генератора позволяет установит желаемую начальную фазу колебаний, что существенно на инфранизких частотах. Для установки начальной фазы заряжают времязадающие конденсаторы в интеграторах до определенного напряжения. Практические схемы инфранизкочастотных генераторов имеют дополнительную цепь положительной обратной связи для обеспечения устойчивых незатухающих колебаний и узел нелинейной функции, обеспечивающий стабильность амплитуды выходного сигнала генератора.

Осциллограф. Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ)

Осциллографы бывают электромеханические и электронные. Электронные осциллографы предназначены для исследования формы электрических сигналов путём визуального наблюдения и измерения их временных и амплитудных значений [9]. Двухканальные и двухлучевые электронные осциллографы применяют для одновременного наблюдения осциллограмм двух сигналов на экране одной ЭЛТ. Электромеханические (шлейфовые) применяются для исследования формы электрических сигналов с частотой до 10кГц. Значение и область применения электронного осциллографа в настоящее время очень велики. Главнейшими преимуществами его по сравнению с электромеханическим осциллографом являются ничтожно малое собственное потребление мощности от испытуемого источника напряжения и возможность исследования процессов, частота которых достигает сотен мегагерц, а также весьма кратковременных непериодических явлений.

Электронный осциллограф применяют для исследования формы электрических сигналов путём визуального наблюдения и измерения их временных и амплитудных значений.

Осциллографы бывают одноканальные и двухканальные. Размеры изображения по вертикали и горизонтали регулируются чувствительностью каналов.

С помощью осциллографа измеряют: амплитуду сигнала; постоянный ток (косвенно); сопротивление резистора (косвенно); постоянное напряжение; частоту сигнала; длительность временного интервала, по формуле: , где с - коэффициент развёртки, n - число делений по горизонтальной шкале; мощность потребления цепи (косвенно).

Главными узлами любого осциллографа являются: электронно - лучевая трубка, усилитель вертикального отклонения луча, генератор развёртки луча и обобщенный электро-узел сервисного обслуживания осциллографа.

Основным элементом электронного осциллографа является электронно-лучевая трубка.

В качестве источника электронной эмиссии в трубке могут быть использованы как холодные, так и накаленные катоды. Формирование электронного луча и управление его перемещением в зависимости от различных законов исследуемых явлений производятся при помощи либо электрических, либо магнитных полей.В современной технике осциллографирования в большинстве случаев применяются электронно - лучевые трубки с горячим катодом и электростатическим управлением.

Устройство такой трубки схематически показано на рис. 53. В начале горловины помещено устройство для создания фокусированного пучка электронов (электронного луча), называемое "электронной пушкой", или "электронным прожектором". "Электронная пушка" состоит из подогревного катода, управляющего электрода или сетки и двух анодов.

Изменение потенциала управляющего электрода дает возможность регулировать плотность электронов в пучке и тем самым менять яркость изображения. Кроме того, при помощи сетки производится предварительная фокусировка электронного пучка. Окончательная фокусировка осуществляется в поле между первым и вторым анодами.

Рисунок 53 - Устройство электронно-лучевой трубки с горячим катодом

Фокусировка регулируется путем изменения напряжения на первом аноде, который поэтому называется фокусирующим. Необходимое ускорение электронов в поступательном направлении обеспечивается вторым анодом, вследствие чего он иногда называется ускоряющим. Обычно между сеткой и первым анодом помещается еще добавочный, ускоряющий, электрод (на рис. 53. не показан), который соединен со вторым анодом и служит для устранения влияния регулирования фокусировки на яркость светящегося пятна.

Электронный пучок в конце своего пути попадает на внутреннюю торцовую поверхность расширенного конца колбы, называемую экраном. Эта поверхность покрыта специальными составами - люминофорами, которые обладают способностью светиться под действием электронной бомбардировки в тех местах, куда попадают электроны. Если на пучок электронов на его пути между вторым анодом и экраном воздействовать отклоняющими силами, возникающими при прохождении пучка в электрическом поле, то светящееся пятно на экране будет соответственно перемещаться. Таким образом, электронный пучок можно уподобить подвижной части измерительного механизма прибора, отклонения которой зависят от напряжения, приложенного к отклоняющим пластинам. Отклоняющая система электронно-лучевой трубки состоит из двух пар пластин, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 53). Пластины, лежащие в горизонтальной плоскости, отклоняют луч в вертикальном направлении и называются электродами вертикального отклонения, или y-электродами; пластины, лежащие в вертикальной плоскости и смещающие луч в горизонтальном направлении, называются электродами горизонтального отклонения, или х-электродами. Если к какой-либо паре пластин приложить переменное напряжение, то луч прочертит на экране светящуюся прямую линию. Определим величину смещения светящегося пятна от исходного положения в результате прохождения луча в поле отклоняющих пластин. Пусть l (рис. 54) - длина пластин,

Рисунок 54 - Смещение электронного луча под действием электростатического поля. а - расстояние между ними, L - расстояние от пластины до экрана и U - напряжение, приложенное к пластинам.

Пренебрегая искажениями у краев пластин, полагаем электрическое поле внутри них равномерным, т. е. считаем, что напряженность поля .Электрон, движущийся прямолинейно и равномерно с начальной скоростью v0, проходя между пластинами, смещается в сторону, противоположную направлению силовых линий поля. Как известно, движение электрона в поперечном электрическом поле описывается уравнением:

где е - заряд электрона;- его масса;и Y - координаты электрона.

Для точки б (в месте выхода электрона из пространства между пластинами) уравнение примет вид:

Выходя за пределы пластин, электрон продолжает перемещаться прямолинейно по касательной к 0б.

Заключение

В результате прохождения первой летней вычислительно - ознакомительной практики в лабораториях кафедры Информационных измерительных систем и технологий (ИИСТ) изучен и усвоен материал о составе структуры кафедры, профессорского-преподавательском составе (ППС), учебно-воспитательном персонале (УВП) истории создания и развития кафедры, количеством, расположением и назначением учебных лабораторий Ознакомилась с учебным планом специальности изучены и усвоены названия специализированных лабораторий, курсовых и лабораторных (работ), проводимых на втором и третьем этажах лабораторий кафедры ИИСТ, ознакомлен (а) с названием ,назначением, принципом действия и конструкцией некоторых основных систем и схем электроизмерительных приборов, преобразователей и вычислительной техники, изучена инструкция по охране труда и ТБ.

Ознакомлен с назначением, принципом действия и конструкцией некоторых основных систем и схем аналоговых электроизмерительных приборов. Аналоговые измерительные приборы являются развивающимися средствами информационно-измерительной техники. Дальнейшее развитие получат электронные аналоговые измерительные устройства, основанные на современной элементной базе, что позволит улучшить метрологические характеристики аналоговых приборов.

В большинстве современных приборов предполагается организация линейного выхода по напряжению или току для целей контроля, управления и сигнализации. При современном уровне техники поставленные задачи могут быть решены схемными или алгоритмическими методами.

Познакомились с объектами профессиональной деятельности выпускников направления 20010062 "Приборостроение", с метрологической службой на заводе, её структурой и функцией:

с понятием "метрология", "метрологические характеристики приборов"

с терминами "прибор", "приборостроение", "конструирование", "технология проектирования", "патентность при разработке прибора" и др. Узнали главные должности должностных категорий приборостроительной специализации 20010062 - "конструктор и технолог".

В качестве практической работы выполнена поверка аналогового прибора, по результату которой предоставлен отчет в ручном и компьютерном вариантах с помощью составленной программы. Изучены схемы для измерения сопротивлений на постоянном токе и приведен результат определения погрешностей. Изучен и усвоен материал статической обработки результатов измерений физических величин, а так же общие методы исключения промахов из результата вычислений. Изучен и усвоен персональный компьютер в измерительной технике. Изучен и усвоен материал статистической обработки результатов измерений физических величин, а также общие методы исключения промахов из результата вычислений. Материал изученный в соответствии с планом прохождения вычислительной практики, изложен в данном отчете. В приложении приведены программы обработки представленного материала и результаты обработки лабораторных экспериментов с помощью персонального компьютера.

Список литературы

1.Раннев Г.Г. Информационно-измерительная техника и электроника: учебник для вузов, 2006г.

.В.А. Иванцов История кафедры "Информационно-измерительная и медицинская техника". Время. События. Люди. Новочеркасск 2001.

.Основы метрологии и электрические измерения. Учебник для вузов/под редакцией Я.И. Душина, издательство Энерготом. 1987 г.

.Фуфаев Э.В. Компьютерные технологии в приборостроении. Учебное пособие для вузов 2009.

.Карпенков Х.С. Современные средства информационных технологий. 2009.

.Общие требования и правила оформления текстовых документов в учебном процессе. Новочеркасск, НГТУ, 1999 г, 24 с.

.Шкабардня М.С "Приборостроение - ХХ век"2004 г.

.Важинский Н.М. "Технический словарь-справочник по конструированию и технологии производства приборов", ЮРГТУ. 2007г.

.Болдырев В.Т., Горбатенко Н.И., Важинский Н.М., Кревченко Ю.Р., Ляхов Л.И., Митина В.Ф., Некрасов Ю.В. "Методические указания к лабораторным работам по основам метрологии и электрическим измерениям", ЮРГТУ 2010 г.

Приложение

Лабораторные работы с использованием осциллографа, генератора, цифровых и аналоговых измерительных приборов

Определение параметровэлектронного сигнала при помощи осциллографа и генератора.

.Включить генератор и осциллограф в цепь.

.На генераторе установить примерные значения амплитуды и частоты сигналов.

.На генераторе выбрать форму сигнала (синусоидальную, треугольную, прямоугольную, пилообразную).

.С помощью переключателя в/см на осциллографе установить максимальным предел измерения по напряжению.

.С помощью шнура соединить выход генератора и добиться устойчивого изображения сигнала на экране осциллографа.

.С помощью ручек синхронизации на осциллографе добиться устойчивого изображения на экране осциллографа.

.С помощью ручек в/см и время/см добиться наиболее удобного изображения сигнала на экране осциллографа.

.Определить амплитуду, период и частоту исследуемого сигнала.

.Если необходимо, то с помощью ручек перемещение по горизонтали и по вертикали на осциллографе переместить изображение в нужное место экрана.

Измерение параметров электронного сигнала при помощи осциллографа и генератора.

Цель работы:

¾Изучить принцип действия и структурную схему одноканального осциллографа;

¾Усвоить методы измерений параметров электрических сигналов с использованием электронного осциллографа;

¾Приобрести навыки работы с осциллографом при измерении параметров электрических сигналов в режимах внутренней и внешней синхронизации.

Рисунок п. 1 - структурная схема одноканального осциллографа.

Порядок и программа работы:

.До включения в сеть установить органы управления на передней панели осциллографа в исходное положение в соответствии с разделом "Подготовка к работе" инструкции к осциллографу.

.После включения осциллографа в сеть произвести его балансировку.

.Произвести калибровку коэффициента отклонения и коэффициента длительности развертки.

.Измерить амплитуду, частоту, периодсинусоидального и импульсного сигналов, временую задержку между двумя синхронными сигналами, длительность импульса, постоянное напряжение, ток. Результаты измерений занести в таблицу.

Приборы, используемые при измерении параметров сигналов:

.Осциллограф GOS-620 (Рис п2 )

.Генератор звуковых частот типа Г3-118. (Рис п3 )

.Импульсный генератор типа Г5-54. (Рис п4 )

.Электронный вольтметр типа В7-16А. (Рис п5 )

.Стабилизированный источник питания типа Б5-48.

Измерение временных интервалов. Для обеспечения максимальной точности следует соблюдать следующие условия измерения:

¾размер изображения измеряемого временного интервала должен быть большим, что уменьшает погрешность отсчета;

¾размеры изображений по горизонтали измеряемого и калибровочного сигналов (или нескольких их периодов) должны быть по возможности одинаковыми, что исключает погрешность за счет нелинейности, так как в этом случае действие нелинейности одинаково на измеряемый и калибровочный сигналы;

¾калибровка перед измерением должна производиться для каждого из положений множителя TIME/DIV;

¾измерение и калибровку проводить на горизонтальной осевой линии шкалы с делениями.

Длительность измеряемого временного интервала (например, периода сигнала) определяется по формуле

t=nc,

где n - число делений по горизонтальной шкале, соответствующее измеряемому

Измерение частоты. Частоту сигнала можно определить, измерив его период Т, так как

f =1/Т.

Другим методом определения частоты является метод сравнения неизвестной частоты с эталонной по фигурам Лиссажу. В этом случае на усилитель вертикального отклонения подают сигнал, частоту которого надо измерить, а на усилитель горизонтального отклонения - сигнал генератора образцовой частоты, которую можно изменять (режим Y(X)).

При сближении частот на экране появляется вращающийся эллипс, остановка которого указывает на полное совпадение частот. При кратном соотношении частот на экране получается более сложная фигура, причем частота сигнала по вертикали так относится к частоте сигнала по горизонтали, как отношение числа точек касания касательной к фигуре по горизонтали к числу точек касания касательной к фигуре по вертикали.

Рисунок п 4 - Генератор импульсов Г5 - 54.

Рисунок п5. Вольтметр электронный В7 - 16А.

Измерение амплитуды исследуемых сигналов. Для обеспечения максимальной точности измерения рекомендуется соблюдать следующие условия:

¾размах изображения измеряемого сигнала должен быть большим, что уменьшает погрешность отсчета;

¾размах изображений измеряемого и калибровочного сигналов должен быть по возможности одинаков, что позволяет свести к минимуму погрешность за счет нелинейности по вертикали, так как ее действие в этом случае одинаково на измеряемый и калибровочный сигналы;

¾калибровку коэффициента отклонения производить отдельно в каждом из положений VOLTS/DIV

Погрешность измерения амплитуды периодического сигнала определяется по формуле

*100%

где Um - значение амплитуды, измеренное с помощью осциллографа;о - значение амплитуды, определенное электронным вольтметром.

Вольтметр показывает среднеквадратическое значение напряжения, следовательно, значение амплитуды напряжения определится по формуле

= UKa

где U- показания вольтметра;

Ка = - коэффициент амплитуды синусоиды.

Результаты измерений занести в таблицу П.1.

Измерение постоянного напряжения и тока. для измерения постоянного напряжения необходимо входной сигнал подавать на открытый вход осциллографа (режим DC) и, учитывая приведенные выше рекомендации, произвести измерение числа делений экрана, на которое сместился луч по вертикали вверх (при измерении постоянного положительного напряжения) или вниз (при измерении постоянного отрицательного напряжения) относительно положения луча при нулевом входном напряжении. Измерение постоянного тока производится косвенно. Для этого необходимо в цепь измеряемого тока включить образцовое низкоомное сопротивление /?о и, измерив осциллографом падение напряжения на этом сопротивлении С/о, рассчитать по закону Ома значение измеряемого тока.

Таблица П.1 - Результаты измерения параметров периодических сигналов.

СигналUm, mBUm0=UKT, мс f, Гцf0, кГцdU, %dT, %К.о, В/делК.р, мс/делСинусоид2.22.15.2*10^-32*10^51904.75.2651импульс3-0,482,082-410,2Т - длительность периода исследуемого сигнала;

dU - Относительная погрешность измерения напряжения;

dT - Относительная погрешность измерения длительности импульса исследуемого сигнала;- частота исследуемого сигнала;-значение амплитуды исследуемого сигнала.

Синусоидальный сигнал (Рис. П6):

*100%

Рис. П.7 Импульсный сигнал

Рисунок П.6 синусоидальный график.

Импульсный сигнал (Рис. П7):

Содержание измерительный электрический прибор компьютер Вступление . Цели и задачи практики . Краткие сведения о кафедре ИИСТ . Краткие сведения

Больше работ по теме: