Нормативно-правовые основы метрологии

Содержание

 

 

Введение                                                                                                                       3

1.Цифровые вольтметры                                                                                             4

2.Нормативно-правовые основы метрологии                                                         13

Заключение                                                                                                                 18

Список использованной литературы                                                                       20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Сегодня измерение и метрология пронизывают все сферы жизни. Только родившийся человек, еще не имея имени, сразу становится объектом измерений. В первые минуты жизни к нему применяют средства измерений длины, массы и температуры. В повседневной жизни мы также постоянно сталкиваемся с количественными оценками. Мы оцениваем температуру воздуха на улице, следим за временем, решаем насколько выгодно и рационально практически любое наше действие. С измерениями связана деятельность человека на любом предприятии. Инженеры промышленных предприятий, осуществляющие метрологическое обеспечение производства должны иметь полные сведения о возможностях измерительной техники, для решения задач взаимозаменяемости узлов и деталей, контроля производства продукции на всех его жизненных циклах.

Метрология занимает особое место среди технических наук, т.к. метрология впитывает в себя самые последние научные достижения и это выражается в совершенстве ее эталонной базы и способов обработки  результатов измерений.

Метрология стала наукой, без знания которой не может обойтись ни один специалист любой отрасли.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Цифровые вольтметры   

 

По виду измеряемой величины цифровые вольтметры делятся  на: вольтметры постоянного тока, переменного тока (средневыпрямленного или среднего квадратического значения), импульсные вольтметры — для измерения параметров видео- и радиоимпульсных сигналов и универсальные вольтметры, предназначенные для измерения напряжения постоянного и переменного тока, а также ряда других электрических и неэлектрических величин (сопротивления, температуры и прочее).

Принцип работы цифровых измерительных приборов основан  на дискретном и цифровом представлении  непрерывных измеряемых величин. Упрощенная структурная схема цифрового  вольтметра приведена на рис.1.Схема  состоит из входного устройства, АЦП, цифрового отсчетного устройства и  управляющего устройства. 

Рис.1.Упрощенная структурная  схема цифрового вольтметра.

 

Входное устройство содержит делитель напряжения; в вольтметрах  переменного тока оно включает в себя также преобразователь переменного тока в постоянный.

АЦП преобразует  аналоговый сигнал в цифровой, представляемый цифровом кодом. Процесс аналого-цифрового преобразования составляет сущность любого цифрового прибора, в том числе и вольтметра. Использование в ацп цифровых вольтметров двоично-десятичного кода облегчает обратное преобразование цифрового кода в десятичное число, отражаемое цифровым отсчетным устройством.

Цифровое отсчетное  устройство измерительного прибора  регистрирует измеряемую величину. Управляющее  устройство объединяет и управляет  всеми узлами вольтметра.

По типу АЦП цифровые вольтметры могут быть разделены  на четыре основные группы:            

• кодоимпульсные (с поразрядным уравновешиванием);

• времяимпульсные;

• частотно-импульсные;

• пространственного  кодирования.

В настоящее время  цифровые вольтметры строятся чаще на основе кодоимпульсного и времяимпульсного преобразования.

АЦП вольтметров  преобразуют сигнал постоянного  тока в цифровой код, поэтому и  цифровые вольтметры также считаются  приборами постоянного тока. Для  измерения напряжения переменного  тока на входе вольтметра ставится преобразователь переменного напряжения в постоянное напряжение, чаще всего это детектор средневыпрямленного значения.

Проанализируем  основные технические характеристики среднестатистического цифрового вольтметра постоянного тока:

• диапазон измерения: 100 мВ, 1 В, 10 В, 100 В, 1000 В;

• порог чувствительности (уровень квантования амплитуды  напряжения или единица дискретности) на диапазоне напряжения в 100 мВ может  быть 1мВ, 10ОмкВ, 10мкВ;

• количество знаков (длина цифровой шкалы) — отношение  максимальной измеряемой величины на этом диапазоне к минимальной; например:

диапазону измерения 100 мВ при уровне квантования 10 мкВ  соответствует 104 знаков;

• входное сопротивление  электрической схемы — очень  высокое, обычно более 100 МОм;

• помехозащищенность — так как цифровые вольтметры обладают высокой чувствительностью, очень важно обеспечить хорошую помехозащищенность.                        

Упрощенная структурная  схема, поясняющая принцип возникновения  помех на входе цифрового вольтметра показана на рис. 2.

Помеха общего вида возникает в электрической схеме  из-за несовершенства источников питания  на частотах 50 и 100 Гц, создает падение  напряжения на сопротивлении r0 соединительного провода и переходит во входную цепь вольтметра, если сопротивление утечки Rут между клеммами и корпусом невелико. Если же одну из клемм прибора заземлить, то доля помехи общего вида, переходящая во входную цепь ,увеличится. Поэтому при измерении малых сигналов пользуются изолированным от земли (корпуса) входом вольтметра.

Источник сигнала

Вольтметр

Рис.2. Схема возникновения помех на вход цифрового вольтметра 

 

Здесь Ес — источнике  сигнала; Енв — помеха, приложенная  ко входу вольтметра (помеха нормального вида, наводки); Еов — помеха общего вида, возникающая из-за разности потенциалов корпусов источника сигнала и вольтметра; Ri — внутренне сопротивление источника сигнала; Rвх —входное сопротивление вольтметра.              

 Способы уменьшения  влияния помех:    

 • использование  экранированных проводов и изолированного  входа вольтметра;    

 • применение-интегрирующих  вольтметров; при этом период  помехи Uпом(t)= Umпомsinωt кратен времени  измерения и помеха устраняется  по периоду согласно формуле:                  

Uпом = Umпомsinωtdt 0;

• включение на входе вольтметра фильтра с большим  коэффициентом подавления помехи (60... 70 дБ).     

В последнем случае коэффициент подавления помехи определяется следующим образом: Кпод = 20lg (Uп вх/ Uп вых ), где Uп вх  — амплитуда помехи на входе фильтра, Uп вых - амплитуда помехи на его выходе.

Точность цифровых вольтметров. Распределение погрешности  по диапазону измерения напряжений определяется  пределом допускаемой относительной основной погрешности, характеризующей класс точности средства измерения: 

 

 

    Δ =  

 

где и— измеряемое напряжение; Uк— конечное значение диапазона  измерений; с, d — соответственно относительные приведенные суммарная и аддитивная составляющие погрешности.

Быстродействие. Современные  схемы АЦП, применяемые в цифровых вольтметрах, могут обеспечить очень  большое быстродействие, однако из соображений точной регистрации  полученного результата и усреднения сетевой помехи у цифровых вольтметров оно уменьшается примерно до 20... 50 измерений в секунду.

Кодоимпульсные  цифровые вольтметры

В кодоимпульсных цифровых вольтметрах (в вольтметрах с  поразрядным уравновешиванием) реализуется  принцип компенсационного метода измерения напряжения. Упрощенная структурная схема такого вольтметра представлена на рис. 3.

Измеряемое напряжение U‘x, полученное с входного устройства, сравнивается ,с компенсирующим напряжением Uк вырабатываемым прецизионным делителем  и источником опорного напряжения. Компенсирующее напряжение имеет несколько уровней, квантованных в соответствии с двоично-десятичной системой счисления. Например, двухразрядный цифровой вольтметр, предназначенный для измерения напряжений до 100 В, может включать следующие уровни напряжений: 80,40,20, 10, 8,4,2,1 В.

Сравнение, измеряемого U‘x и компенсирующего Uк напряжений производится последовательно по командам управляющего устройства. Процесс сравнения напряжений показан на рис. 8.13. Управляющие импульсыUy через определенные интервалы времени переключают сопротивления прецизи онного делителя таким образом, что на выходе делителя последовательно возникают значения напряжения: 80, 40, 20, 10, 8, 4, 2, 1 В; одновременно к соответствующему выходу прецизионного делителя подключается устройство сравнения.

Если Uк > U'x, то с  устройства сравнения поступает  сигнал Uср на отключение в делителе соответствующего звена, так, чтобы снять сигнал Uк . Если Uк  < U'х ,'то сигнал с устройства сравнения не поступает. После окончания процесса сравнения полученный сигнал Uкод положения ключей прецизионного делителя и является тем кодом, который считывается цифровым отсчетным устройством.

Рис 3. Упрощенная структурная схема кодоимпульсного вольтметра 

 

Процесс  измерения напряжения в кодоимпульсном приборе напоминает взвешивание на весах, поэтому приборы иногда зазывают поразрядно-уравновешивающими. Точность кодоимпульсного прибора зависит от стабильности опорного напряжения, точности изготовления делителя, порога срабатывания сравнивающего устройства.

Для создания нормальной помехозащищенности (60…70 дБ) на входе  приборов ставится помехоподавляющий  фильтр. В целом такой цифровой прибор  обладает хорошими техническими характеристиками и используется как лабораторный. Первые цифровые приборы создавались по методу взвешивания, но сейчас более широкое распространение получили приборы времяимпульсного типа.

В основе принципа действия вольтметра времяимпульсного (временного) типа лежит преобразование с помощью АЦП измеряемого  напряжения в пропорциональный интервал времени, который заполняется счетными импульсами, следующими с известной стабильной частотой следования. В результате такого преобразования дискретный сигнал измерительной информации на выходе преобразователя имеет вид пачки счетных импульсов, число которых пропорционально уровню измеряемого напряжения.

Погрешность измерений  времяимпульсных вольтметров определяется рядом факторов: погрешностью дискретизации измеряемого сигнала; нестабильностью частоты счетных импульсов; порогом чувствительности схемы сравнения и нелинейностью пилообразного напряжения.

Существует несколько  схемотехнических решений, используемых при создании времяимпульсных вольтметров. Рассмотрим две такие схемы.

Времяимпульсный вольтметр  с генератором линейно изменяющегося напряжения. Структурная схема времяимпульсного цифрового вольтметра и временные диаграммы, поясняющие ее работу, представлены на рис. 4. Данный тип вольтметра включает АЦП с промежуточным преобразованием, измеряемого напряжения в пропорциональный интервал времени. В состав АЦП входят: генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН); два устройства сравнения I и II; триггер Т; логическая схема И; генератор счетных импульсов; счетчик импульсов и цифровое отсчетное устройство.

Дискретный сигнал измерительной информации на выходе преобразователя имеет вид пачки счетных импульсов, число которых N пропорционально величине входного напряжения U'х (т.е. U'). Линейно изменяющееся во времени напряжение Uглин  с ГЛИН поступает на входы 1 обоих устройств сравнения. Другой вход устройства сравнения 1 соединен с корпусом.

В момент, когда  на входе устройства сравнения 1 напряжение Uглин = 0, на его выходе возникает  импульс Uус1, условно фиксирующий  нулевой уровень входного сигнала. Этот импульс, подаваемый на единичный  вход триггера T, вызывает появление  положительного напряжения на его выходе.     

Возвращается триггер  в исходное состояние импульсом Uус11, поступающим с выхода устройства сравнения 11. Импульс Uус11 возникает в момент равенства измеряемого U'x и линейно изменяющегося напряжения Uглин. Сформированный в результате на выходе триггера импульс Uт длительностью                                 

 △t = U'xS

(здесь S — коэффициент  преобразования) подается на вход  схемы И, на второй вход которой поступает сигнал  Uгси с генератора счетных импульсов, следующих с частотой   fо = 1/T0 .

На выходе схемы  И сигнал Uсч , появляется только при  наличии импульсов

Uт  и Uгси на обоих ее входах, т.е. счетные импульсы проходят через схему И, тогда, когда присутствует сигнал на выходе триггера.    

 Количество прошедших  через схему И счетных импульсов    N △t/To

подсчитывается  счетчиком и отображается на индикаторе цифрового отсчетного устройства прибора.