Цифрлық өлшеу аспаптары және түрлендіргіштері

Қазақстан Республикасының  білім және ғылым  министрлігі

Қ. Жұбанов  атындағы Ақтөбе мемлекеттік университеті

Физика - Математика факультеті

 

 

 

 

 

    

 

Тақырыбы: Цифрлық өлшеу аспаптары және түрлендіргіштері

 

 

 

 

 

 

      Орындаған: ІІІ ВТКО-2 студенті  

                              Гильманов А.Б.

      Тексерген: аға-оқытушы

                              Жылқыбаев А.А.

 

 

 

 

 

 

 

        Ақтөбе - 2013

 

ЖОСПАР

 

1.      КІРІСПЕ

 

2.      НЕГІЗГІ БӨЛІМ

 

1. Өлшеу аспаптары мен қондырғылары

• Цифрлы және электронды өлшеу аспаптары
• Сандық вольтметрлер
• Электромеханикалық аспаптар

        2. Өлшеу жүйелері

       

        3. Электрлік  өлшеу 

     

3. ҚОРЫТЫНДЫ

 

4. ӘДЕБИЕТТЕР

 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  І КІРІСПЕ

Адамзат тарихы дамуының барлық кезеңдері өлшеуді қолданумен дамып  келді және оны қолданумен сипатталады, өлшеусіз ғылым саласында бірде-бір  жаңалық ашу мүмкін емес.

Кез-келген өнімді өндіру бірнеше  өлшеулер жүргізу арқы-лы жасалынады. Өлшеу арқылы өнімнің сапасына, өлшем  бірлік-теріне басқада қасиеттеріне қойылатын талаптар анықталады.

Өнімнің сапасының жетілуі  де өндіріс орнындағы өлшеу жұмыстарының қаншалықты жоғары деңгейде ұйымдастырылғанан  көрсетеді.

Өлшеу басқару немесе бақылау  объектісі жөніндегі мөлшерлі ақпараттарды алуды қамтамасыз етеді, техникалық процестің барлық берілген шарттарын  дәл көрсету, бұйымның жоғарғы сапасын  қамтамасыз ету және объектіні тиімді түрде басқару мүмкін емес.

Өлшеу техникасы метрологиялық  эксперименттер жасау, өлшеу нәтижелерін  өңдеу және метрологиялық жұмыстарды стандарттау мен сертификаттаудың жалпы ережелерін оқытатын ғылым  ретіне де көзқарас қалыптастырады.

«Өлшеу» ұғымы әртүрлі  ғылым (математика, физика, химия, психология, экономика және т.б.) салаларында  кездеседі және олардың әрқайсысында ол әртүрлі түсіндірілуі мүмкін. Бұл  курста автоматтандыру мен басқару  саласында физикалық шамаларды  өлшеуге қатысты  мәселелер ғана қарастырылады.

Кез-келген өнімді өндіру бірнеше  өлшеулер жүргізу арқылы жасалынады. Өлшеу арқылы өнімнің сапасына, өлшем  бірліктеріне басқада қасиеттеріне қойылатын талаптар анықталады.

Өлшеу техникасының дамуы  арқасында өлшеу нақтылығы жоғарлайды, ал ол өз кезегінде ғылым саласында  жаңадан жетістіктерге жетелейді. Мысалы микроскопты іс жүзіне енгізу микроорганизмдерді зерттеуге мүмкіндік  берсе ол кейіннен микробиология  ғылымының пайда болуына себеп  болды. Көбінесе қандайда бір құбылыстарды зерттеу үшін неғұрлым жетілдірілген  аппаратураның қажеттілігін туғызады. Сондай-ақ ғылымдағы жаңалықтар өлшеу  техникасының жетіле түсуіне себеп  болады немесе өлшеу техникасының жаңа түрінің пайда болуына себеп  болады.

Өлшеу аспаптарының алуан  түрлілігі мен өлшеу әдістерінің  дамуы негізінде ғылымның жаңа саласы -  метрология – нақты өлшеулер туралы ғылымы пайда болды.

Өлшеу - белгілі бір физикалық  шамамен оның өлшем бірлігі ретінде  қабылданған мән арасындағы сандық қатынасты іс жүзінде анықтауға  арналған ақпараттық процес.

Өлшеу ақпаратын алу үшін қолданылатын өлшеу жабдықтарын  жасау мен оларда дұрыс пайдалану  және бұл кезде пайда болатын  ғылыми сұрақтармен айналысатын  ғылым өлшеу техникасы деп  аталады. 

Өлшеу техникасының негізгі бір бөлігі электрлік  өлшеу техникасы болып табылады. Электрлік өлшеу техникасы –  электрлік өлшеу жабдықтарын (өлшеу  ақпараты негізінен алғанда электр сигналдарының көмегімен тасымалданаты  аспаптар) жасау, пайдалану және оларды ғылыми зерттеу мен байланысты адамдардың ғылыми - өндірістік қызметінің бір  саласы.

Физикалық шамаларды  электрлік өлшеу аспаптарының көмегімен  өлшеу – электрлік өлшеу деп  аталады.

Өлшеу нәтижесі - өлшеу жабдығы  көмегімен эксперимент арқылы алынған  физикалық шаманың өлшем бірлігі  бар сан мәні.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ІІ НЕГІЗГІ БӨЛІМ 

 

Өлшеу аспаптары  мен қондырғылары

 

Кешенді өлшеу құралдары  барлық өлшеу процедураларын тарату үшін арналған. Өлшеу процесіндегі ролі мен орындайтын функциялары  бойынша жіктелуіне сәйкес, оларға өлшеу аспаптары мен қондырғылары, өлшеу жүйелері мен өлшеп-есептеу  кешендері жатады.

Бұл дәрісте өлшеу аспаптары  мен қондырғыларын қарастырамыз.

Өлшеу аспаптары - өлшенетін физикалық шаманың мәнін оның өзгеру аралығы мен бақылаушыға тікелей қабылданатын өлшеу ақпараттарының сигналын өңдеу кезінде алу үшін арналған өлшеу құралы.

Өлшеу аспабының жалпы құрылымдық схемасы. Өлшеу құралының берілген тобы көптеген аспаптардан тұрады, олар өлшенетін шамаларымен, пайдалану аймақтарымен, техникалық сипаттамаларымен, әрекет принциптерімен, қолданылатын элементі негізімен және басқа ерекшеліктерімен ажыратылады. Сонда да бұл аспаптардың кейбір ортақ қасиеттері бар. Өлшеу аспаптарының жалпы құрылымдық схемасы 1.6.1-суретте көрсетілген.

Өлшенетін ФШ алғашқы өлшеу  түрлендіргіші мен қарапайым  өлшеу құралдарының жиынтығынан  тұратын түрлендіру құрылғысына әсер етеді. Алғашқы түрлендіргіш өлшенетін ФШ-ны өзіне біртекті немесе біртекті емес басқа шамаға түрлендіреді. Сигнал түрлендіргіштің шығысынан қарапайым ӨЖ жиынтығы арқылы өтеді. Қарапайым өлшеу аспаптарында мұндай жиынтық болмауы да мүмкін. Мысалы, аналогты вольтметрлерде өлшенетін кернеу алғашқы электроме-ханикалық ӨТ көмегімен тілшенің бұрылу бұрышына өзгереді.

 

 

 

 

 

 

1.6.1 сурет. Өлшеу аспабының  жалпы құрылымдық схемасы

 

Түрлендіру құрылғысының шығысында параметрлері санағыш  құрылғысының кіріс сипаттамаларына  сәйкес келетін сигнал пайда болады.

Өлшеу аспаптарының жіктелуі. Әр түрлі өлшеу аспаптарының ерекшеліктерін есептеу үшін оларды әртүрлі белгілері бойынша жіктейді. Индикациялау түріне байланысты өлшеу аспаптарын мына түрлерге бөледі:

· көрсетуші, өлшенетін шаманың көрсеткішін ғана санайды, мысалы тілшелі немесе сандық вольтметр;

· тіркеуші, көрсеткіштердің осы немесе басқа ақпараттарды сақтаушыда тіркелуін алдын ала қарастырады, мысалы қағаз лентасында. Тіркеме аналогты немесе санды түрде болуы мүмкін. Оларды өзінше жазатын және жазып шығарушы деп ажыратады.

Өлшенетін шаманы түрлендіру әдістеріне байланысты аспаптарды тура, компенсациялы (теңестірілген) және аралас түрлендіргіштер деп бөледі.

Тағайындалуына байланысты өлшеу аспаптары амперметрлер, вольтметрлер, омметрлер, термометрлер, гигрометрлер және т.б. болып бөлінеді.

Қолданылатын  өлшеу сигналдарын түрлендіру түріне байланысты аспаптар аналогты және сандық болып жіктеледі.

Аналогты  аспаптар – бұл көрсеткіштері мен шығыс сигналдары өлшенетін шаманың өзгеру функциясында үздіксіз болып келетін аспаптар. Сызықты аналогты және өлшеу аспаптарының идеалданған түрлендіру теңдеуі мына түрде болады

Y = KX,

мұндағы Х - өлшенетін шама; Y, К – аспаптың  сәйкес түрлендіру көрсеткіші мен коэффициенті. Көптеген өлшеу аспаптары сызықты болатынын  айта кеткен жөн.

Сандық  аспаптар – бұл әрекет принципі өлшенетін немесе оған пропорционалды шамаларды кванттауға негізделген аспаптар. Мұндай аспаптардың көрсеткіштері сандық түрде беріледі. Кванттау операциясының бар болуы сандық аспаптарда аналогты аспаптармен салыстырғанда метрологиялық сипаттамаларын таңдап алу әдісі, талдау, бейнелеу және мөлшерлеу сияқты елеулі айырмашылықтарын тудыратын ерекше қасиеттерінің пайда болуына алып келеді.

Өлшеу қондырғысы. Бұл - өлшеу құралдары (өлшем, өлшеу аспаптары, өлшеу түрлендіргіштері) мен өлшеу ақпаратының сигналдарын бақылаушыға тікелей қолайлы етіп өңдеу үшін арналған және бір жерде орналасқан көмекші қондырғымен функционалды түрде біріккен жиынтығы.

Қандай да бір бұйымды  сынауға арналған өлшеу қондыр-ғысын сынақ қабырғасы (мысалы, электрлі материалдардың үлесті кедергісін өлшеу үшін, магнитті материалдарды сынау үшін) деп атайды.

ӨЖ-ні салыстырып тексеру  үшін арналған эталондармен қосылған өлшеу қондырғысын салыстырып тексеру қондыры-ғысы (мысалы, вольтметрлерді салыстырып тексеру қондырғысы) деп атайды. Негізінде машинажасауда қолданылатын кейбір үлкен өлшеу қондырғыларды өлшеу машиналары (мысалы, күш өлшейтін машина, бөлгіш машина) деп те атайды.

Цифрлы және электронды өлшеу аспаптары

 

Электронды вольтметрлер

Жалпы мағлұматтар. Электронды вольтметрлер (ЭВ) өзінше электронды түрлендіргішітің, көбінесе, магниттіэлектрлі жүйенің өлшеу аспаптарымен үйлесімділігін береді. Радиоэлектронды өлшеу тәжірибелерінде ЭВ-ді кеңінен лайдалану келесі себептермен дәлелденген:

1) кең амплитудалы және  жиілікті диапазонды (сезімтал-дығы  жоғары және реттелген кезінде  ЭВ-нің өлшеу шектері бір микровольт-тан  жүздеген вольтқа дейін болады; жиілік диапазондары ондаған  герцтен жүздеген мегагерцке  шейін созылып жатыр. Транзисторлы  түрлендіргіші бар ЭВ-нің жиілік  диапазоны 20 Гц ¸ 1 МГц, лампалынікі - 20 Гц ¸ 500 МГц);

2) өлшеу объектісінен  аз қуатын пайдалануда, бірақ  өлшейтін шығыс аспаптарын қозғалу  әрекетіне келтірудің жеткілікті  қуатын дамытады (осы арқылы ЭВ-ге  тікелей қуаты аз тізбектерде,  олардың жұмыс режимдерін бұзбай  өлшейді); бұл сапаы кіріс параметрлерімен  сипатталады (ЭВ-де жоғары кіріс  кедергілері болады, аз жиілікте 0,5 ¸ 20 мОм-ге, арнайы схемаларда – 10⁶ мОм-ге, ал жоғары жиіліктерде – бірнеше ондаған килоОмге тең; кішкене аз сиымдылығы 1 ¸ 30 пФ);

3) жұмыс кезінде сенімді  және жүктемелерді жақсы қабылдайды.

ЭВ-дің кемшіліктерінекөмекші  қорек көзінің қажеттілігін, бастапқы анодты  токтың компенсациясы, шкалаларды сынап тексеру үшін транзисторларды, лампаларды ауыстыру әсері.

ЭВ-ні келесі түрде ажыратуға  болады:

· тағайындалуы бойынша, тұрақты, айнымалы және импульсті кернеудің, фазолы сезімталды; селективті; универсалды;

· өлшеу әдістері бойынша: тікелей өлшеу мен салыстырып өлшеу;

· өлшенетін кернеудің мәні бойынша: пикті (амплитудалы); әрекет мәнді; орташа мәнді;

· схема орындалған басты электронды аспаптардың түрі бойынша: лампалы, жартылай өткізгішті, интегралды;

· жиілікті диапазоны бойынша: аз жиілікті; жоғары жиілікті; аса жоғары жиілікті;

· кіріс схемасы бойынша (токтың тұрақты құраушысына қатысты): ашық және жабық кіріспен;

· өлшенетін кернеуді есептеу тәсілі бойынша: тілшелі (аналогты) және санды (дискретті).

Төменде қарастырылған тілшелі  ЭВ-нің шығыс индикаторлары болып, ереже бойынша, магниттіэлектрлі және сирек электростатикалық жүйе аспаптары  жатады.

Тұрақты токтың электронды вольтметрлері. Электромеханикалы топтың тілшелі вольтметрлерінің тұрақты токтың ЭВ-нан (сурет 3.5.1) үлкен кіріс кедергісі мен жоғары сезімталдығымен ерекшеленеді.

 

 

 

 

 

 

Өлшенетін кернеу өзінше резисторларда  жоғары омды бөлгіш түріндегі кіріс  құрылғыға Кіріс Қ кіреді. Кір.Қ  шығысынан кернеу тұрақты токты  күшейткішіне ТТК түседі.

ТТК қуаттың күшейтуіші бола отырып, магниттіэлектрлі жүйенің өлшеу  аспаптарының ӨА кедергісі кішкенекіроіс  тізбегінің жоғары кедергісін реттейді және өлшенетін кернеудің қуатын аспаптың жеткілікті айналу моментін құру үшін қажетті шамаға дейін көбейтеді. ТТК терең теріс кері байланыспен  қамтылған симметриялы көпір  схемасымен орындалады (соңғысы көпір  схемасының жұмысының тұрақтығын жоғарлатады).

Айнымалы токтың электронды вольтметрлері. Өлшенетін айнымалы кернеуді тұрақтыға тікелей түрленуіне мүмкіндік беретін схемалар, әдетте сезімталждығы төмен және кернеудің аз шамасын өлшеуге жарамсыз болып келеді. Сондықтан өлшеу аспабы сәйкес күшейткіштен кейін қосылады. Айнымалы токтың детектор-күшейткіші (Д-У) түрдегі электронды вольтметрінің құрылымдық схемасы 3.5.2, а суретте берілген. Өлшенетін айнымалы U_х кернеуді кернеудің бөлгішін беретін Кір.Қ кіріс құрылғысы арқылы тікелей Д детекторға береді. Д айнымалы кернеуді Д-ның шығысынан ТТК-ға түсетін тұрақты кернеуге түрлендіреді. ТТК-де кернеу күшейеді де, ӨА өлшеу аспабымен өлшенеді. Схемада қолданылатын детектор – көбінесе лампалы орындаушы пикалы түрде болып келеді. Д-У схемасы бойынша орындалған вольтметрлердің жиілікті диапазоны кең 20 Гц ¸ 500 МГц, бірақ сезімталдығы жеткіліксіз жоғары. Сондықтан да оларды үлкен кернеулерге (150 ¸ 300 В) қатысты орындайды. Кернеуі аз кезінде детектор диодын түзету коэффициентін береді, өйткені тура және кері кедергілер біртекті болып қалады.