Волгоградский государственный аграрный институт.
Научная статья.
По дисциплине: «Метрология, стандартизация и сертификация»
На тему: «Классификация аналоговых измерительных приборов»
Выполнил:
Учащийся З-221
Лось Павел Юрьевич.
Волгоград 2025 г
Введение
Современная информационно-измерительная техника располагает средствами измерения около двухсот различных физических величин – электрических, магнитных, тепловых, акустических, механических и т. д. Подавляющее большинство этих величин в процессе измерения преобразуется в величины электрические, как наиболее удобные для передачи, усиления, математической обработки и точного измерения. Поэтому в современной измерительной технике, находят широкое применение преобразователи разного рода физических величин в электрические величины. Общим элементом любых измерительных устройств, использующих ИП, являются измерительные цепи, связывающие ИП с последующей аппаратурой. Без рассмотрения измерительных цепей не представляется возможным расчет и проектирование ИП. Существенная часть описываемых в учебнике преобразователей предназначена для измерения механических величин. Общими для преобразователей механических величин являются упругие элементы.
Глава 1: Структурная схема аналоговых измерительных приборов.
1.1Аналоговыми электроизмерительными приборами называют средства электрических измерений, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации, являющихся непрерывными функциями измеряемых физических величин, в форме доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.
Обобщенная структурная схема аналогового измерительного прибора показана на рис. 1.1.
Устройство преобразования состоит из одного или нескольких измерительных преобразователей (ИП), предназначенных для преобразования измеряемой величины Х в такой сигнал Y, параметры которого соответствуют входным характеристикам отсчетного устройства. В устройство преобразования могут входить масштабные, функциональные и другие виды измерительных преобразователей.
Отсчетное устройство (ОУ) предназначенного для преобразования сигнала измерительной информации Y в форму, доступную для считывания значений измеряемой величины. В качестве отсчетного устройства могут использоваться механические, оптические, электрохимические, электронные и другие ОУ.
Образцовые средства используют для калибровки СИ в процессе эксплуатации. К ним относятся, например, нормальный элемент в потенциометрах, опорные источники в приборах с автоматической коррекцией погрешности и другие средства.
Вспомогательные устройства не принимают непосредственного участия в преобразованиях сигнала, но обеспечивают необходимые условия для работы других узлов. К вспомогательным устройствам относятся источники питания, осветительные и другие подобные узлы.
В составе аналогового прибора обязательно должны быть устройства преобразования и отсчетные устройства, а наличие образцовых средств и вспомогательных устройств необязательно.
Дальше идет классификация аналоговых приборов.
Одна из возможных классификационных схем аналоговых измерительных приборовпоказана на рис.1.2.
Электромеханические приборы – это такие приборы, в устройствах преобразования которых нет электронных, транзисторных или ионных узлов.
Электронные приборы – такие приборы, в устройстве преобразования которых есть электронные, транзисторные или ионные узлы.
Показывающие приборы это такие приборы, которые допускают только считывание показаний.
Регистрирующие приборы – такие, в которых предусмотрена регистрация показаний.
В аналоговых приборах прямого преобразования (действия) (рис. 1.3) входной сигнал Х преобразуется одним или несколькими преобразователями П1, П2, П3, … в дном направлении т входа к выходу.
В аналоговых приборах уравновешивающего преобразования (рис. 1.4) входная величина Х компенсируется величиной ХК, представляющей собой выходную величину Y, преобразованную цепью обратного преобразования (обратные преобразователи β1, β2, β3 , …, βn).
Схемы аналоговых приборов уравновешивающего преобразования могут включать в себя узлы, охваченные местной обратной связью β1 (рис. 1.5), однако определяющим является наличие общей с выхода на вход отрицательной обратной связи β2.
К приборам смешанного преобразования (рис. 1.6 а, б) относятся приборы, в структуру которых введена отрицательная обратная связь, охватывающая не все звенья прямого преобразования.
По назначению различают приборы для измерения тока, напряжения, частоты, приборы для измерения параметров электрических цепей, для анализа характеристик сигналов и др.
Приборы предназначенные для измерения нескольких величин называют комбинированными.
Приборы, работающие как на постоянном, так и на переменном токе называют универсальными.
Глава 2: Свойства и характеристики аналоговых СИ.
Технические характеристики СИ отражают все основные его свойства (погрешность, чувствительность, габариты, масса и т. д.).
Метрологические характеристики это такие технические характеристики СИ, которые влияют на результаты и погрешности измерений.
Общими для схем аналоговых СИ свойствами и характеристиками являются: погрешности; чувствительность; диапазон и пределы измерений; диапазон частот; потребляемая мощность; динамические характеристики.
Погрешность прибора определяется как разность между его показаниями и истинным значением измеряемой величины. Погрешность является сложной функцией многих переменных, таких, как измеряемая величина, время, температура окружающей среды и т.д.
Под чувствительностью понимают отношение изменения выходного сигнала СИ к вызвавшему его изменению измеряемой величины.
Различают абсолютную и относительную чувствительность.
Абсолютная чувствительность: S = ∆Y/∆X.
Относительная чувствительность: S = ∆Y/∆X/X.
Порог чувствительности – минимальное изменение входной величины, которое можно обнаружить с помощью данного средства измерений без каких-либо дополнительных устройств.
Диапазон измерений прибора – это область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности прибора.
Динамический диапазон – это отношение наибольшего верхнего предела измерений прибора ХВ к минимальному значению Х0, измеряемому прибором D = XB/X0.
Верхний и нижний пределы измерений прибора – наибольшее и наименьшее значения диапазона измерений.
Диапазон частот – это диапазон частот изменения входного сигнала (измеряемой величины) при котором чувствительность прибора изменяется в заданных пределах.
Различают узкополосные и широкополосные СИ. Узкополосные приборы аналоговые приборы предназначены для работы в узкой фиксированной или регулируемой полосе частот. Эти приборы, как правило, имеют высокую чувствительность и повышенную точность. Широкополосные предназначены для работы в условиях значительных изменений частоты входного сигнала. Для каждого типа приборов нормируются верхняя и нижняя границы диапазона частот.
Потребляемая мощность – это мощность, потребляемая СИ по контролируемой цепи. Потребляемая мощность характеризует степень взаимодействия прибора и измеряемого объекта и нормируется значением входного импеданса или раздельно значениями активного сопротивления и емкости (индуктивности).
К динамическим характеристикам аналоговых приборов относятся: динамические погрешности и время установления показаний.
Время установления показаний – это промежуток времени от момента скачкообразного изменения входной величины до момента установления показаний отсчетного устройства с заданной точностью.
Кроме перечисленных свойств аналоговые измерительные приборы характеризуются такими параметрами как: наработка на отказ; устойчивость к климатическим воздействиям, электрическая прочность изоляции цепей и др.
Для аналоговых СИ нормируются следующие метрологические характеристики:
1) номинальная статическая характеристика преобразования в нормальных условиях эксплуатации 
2) характеристики систематической составляющей ∆С погрешности;
3) характеристики случайной составляющей 
погрешности;
4) характеристики погрешности ∆;
5) вариация показаний - В;
6) дрейф показаний – d;
7) входной – ZВХ и выходной ZВЫХ импедансы;
8) динамические характеристики;
9) неинформативные параметры входного сигнала;
10) функции влияния на систематическую погрешность СИ – ψ(ξ);
11) наибольшее допустимое изменение метрологической характеристики, вызываемое изменением внешних влияющих факторов и неинформативных параметров входного сигнала - ∆l(ξ);
12) диапазон измерений;
13) классы точности.
Глава 3 Измерительные механизмы.
Основной частью электромагнитного прибора является электромагнитный ИМ. Принцип действия электромагнитного измерительного механизма основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого проводником с током, и ферромагнитного сердечника.
В настоящее время применяется большое число различных типов электромагнитных приборов, которые различаются по назначению, конструкции ИМ, форме катушек и сердечников и т. д.
В зависимости от инерционности подвижной части или частоты ее собственных колебаний все электромагнитные приборы разделяются на две группы: резонансные и нерезонансные. Резонансные работают только на переменном токе. В нерезонансных приборах момент инерции подвижной части значителен, и смещение подвижной части пропорционально квадрату действующего значения тока.
Обе группы приборов делятся на две подгруппы: поляризованные и неполяризованные. В поляризованных приборах кроме намагничивающей катушки имеется постоянный магнит. Поляризованные нерезонансные приборы не обладают высокой точностью. Из резонансных приборов в основном применяются язычковые герцметры.
В зависимости от характера магнитной цепи нерезонансные приборы разделяются на приборы с магнитопроводом, условно называемым замкнутым, и без магнитопровода. Приборы с магнитопроводом имеют меньшее собственное потребление мощности, но вместе с этим и значительные погрешности из-за потерь в магнитопроводе от вихревых токов и гистерезиса. Приборы без магнитопровода имеют малое собственное магнитное поле и большую зависимость показаний от влияния внешних магнитных полей и позволяют создать приборы высокой точности для работы на постоянном и переменном токе. Эти приборы подразделяются на приборы отталкивающего и втяжного действия. В приборах первого типа расположенные внутри катушки с током ферромагнитные сердечники намагничиваются одноименно и отталкиваются друг от друга (рис. 3.9).
а) б)
1 – катушка; 2 – подвижный сердечник; 1 – катушка; 2, 3 - призматические
3 – неподвижный сердечник; 4 – ось; сердечники; 4 – ось; 5 – пружинка;
5 – пружинка; 6 - стрелка 6 - стрелка
Рис. 3.9.
В приборах второго типа подвижный ферромагнитный сердечник втягивается в магнитное поле катушки с током (рис. 3.10)
а) б)
1 – плоская катушка; 2 – сердечник; 1 – катушка; 2 – стержень;
3 – магнитный шунт; 4 – ось; 3, 5 – полюсные наконечники
4 – сердечник.
Рис. 3.10.
В настоящее время чаще других применяют электромагнитные измерительные механизмы с прямоугольными и круглыми намагничивающими катушками, призматическими и цилиндрическими сердечниками.
При прохождении тока J по намагничивающей катушке 1 в результате взаимодействия электромагнитного поля катушки и сердечника возникает вращающий момент МВР, который определяется по формуле
, (3.13)
где L –индуктивность катушки.
Противодействующий момент может создаваться как с помощью спиральных пружинок так и электрическим способом (в электромагнитных логометрах), а успокоение подвижной части механизма осуществляется воздушным или магнитоиндукционным успокоителем.
При создании противодействующего момента с помощью пружинок получим уравнение преобразования электромагнитного прибора
. (3.14)
Из выражения (3.14) следует, что угол отклонения подвижной части электромагнитного механизма не зависит от направления тока, и эти ИМ могут использоваться в цепях постоянного и переменного тока. В цепи переменного тока они измеряют действующее значение тока (или напряжения).
Электромагнитный логометр содержит две катушки и два ферромагнитных сердечника, укрепленных на одной оси. Конструкция выполнена так, что при протекании токов J1 и J2 по катушкам движение одного из сердечников увеличивает индуктивность соответствующей катушки, а второго – уменьшает. Это приводит к тому, что вращающие моменты будут направлены в противоположные стороны, т. е. один момент будет вращающим, а второй – противодействующим. Уравнение преобразования электромагнитного логометрического измерительного механизма можно записать как:
. (3.15)
Заключение.
Подведя итог можно с точность сказать что аналоговые приборы измерения досих пор занимают важную роль в измерении, так же приборы постоянно совершенствуются и становятся точнее и удобнее в своем использование. Роль аналоговых приборов огромна.
Список литературы:
Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин: учебное пособие. – М.: Дрофа, 2012. – (Содержит подробное описание структурных схем, классификации и принципов действия аналоговых приборов, включая электромеханические).
Клаассен К.Б. Основы измерительной техники. Электрические измерения: учебник для вузов. – М.: Техносфера, 2015. – (Классический учебник с глубоким теоретическим обоснованием работы измерительных механизмов, в том числе электромагнитных).
Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники: учебник для вузов. В 2-х томах. – Л.: Энергоатомиздат, 2014. – (Необходим для понимания электромагнитных процессов, лежащих в основе работы электромагнитных измерительных механизмов, описанных в Главе 3).
Шишкин А.К. Электрорадиоизмерения: учебник для вузов. – М.: Юрайт, 2020. – (Современное издание, в котором рассматриваются как аналоговые, так и цифровые средства измерений, их свойства и характеристики).