Методы измерений электрических и магнитных свойств функциональных материалов презентация

Методы измерений электрических и магнитных свойств функциональных материалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА ИЗМЕРЕНИЙ Виды и методы измерений Что есть измерение? Измерение это нахождение значения физической величины опытным путем с использованием специальных технических средств Целью измерения является получение количественной информации об измеряемой величине, а результатом - значение физической величины

Какие виды измерений существуют? Прямым называют измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных с использованием прибора, проградуированного в единицах измеряемой величины Косвенным называют измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, полученными посредством прямых измерений.

Методы прямых измерений Методы непосредственной оценки – это методы, при которых значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия

Физические величины и единицы измерения Физическими величинами называют измеряемые характеристики физических объектов Основных величин 7 : длина (L), время (T), масса (M), температура (, T), сила тока (I), количество вещества (N) и сила света (J, I)‏ Для обозначения однородных величин вводят понятие размерности Например, dim G = L – величина G имеет размерность длины dim v = длина . время-1 = L . T-1 Для осуществления измерений физических величин установлены соответствующие единицы измерения В СИ семь основных единиц : метр (м), килограмм (кг), секунда (с), Ампер (А), Кельвин (К), моль (моль), кандела (кд)‏ Все остальные единицы СИ являются производными от основных и представляют собой произведения степеней основных единиц, не содержащие численных коэффициентов. Например, единица СИ магнитной индукции: [B]=В.с.м-2=Тл

Датчики

О погрешностях измерения Погрешность это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины По форме погрешности делят на абсолютную и относительную Δ = А - Аист По источникам погрешности делят на инструментальную, методическую и субъективную По характеру погрешности делят на систематическую и случайную

Статические характеристики и параметры СИ Уравнением преобразования называют однозначную функциональную зависимость между выходной величиной -y и входной величиной -х, которая может быть выражена аналитически – y=f(x) или графически Чувствительность СИ определяет скорость изменения выходной величины при изменении входной Порогом чувствительности СИ называют изменение входной величины, вызывающее наименьшее изменение выходной величины, которое может быть обнаружено с помощью данного СИ без каких-либо дополнительных устройств

Динамические характеристики и параметры СИ Уравнение преобразования, чувствительность, погрешность связаны с амплитудой и частотой входного сигнала Динамической чувствительностью преобразователя является функция, представляющая собой отношение мгновенных значений выходной и входной величин Идеальный преобразователь осуществляет заданное преобразование без искажений Реальные преобразователи (СИ) обладают инерционными или динамическими свойствами

Свойства дифференцирующего преобразователя Для дифференцирующего преобразователя выходная величина пропорциональна производной от входной величины ( уравнение преобразования )‏

Синусоидальный сигнал на входе дифференцирующего преобразователя Динамическая чувствительность (АЧХ) дифференцирующего преобразователя линейно зависит от частоты входного сигнала

Свойства реального дифференцирующего преобразователя Пример: дифференцирующая цепь уравнение преобразования: дифференциальное уравнение 1-го порядка

Синусоидальный сигнал на входе реального дифференцирующего преобразователя

Погрешность реального дифференцирующего преобразователя Под динамической погрешностью преобразователя понимают разность между динамической чувствительностью реального преобразователя и динамической чувствительностью идеального преобразователя, т.е. осуществляющего данное преобразование без искажений амплитудно-частотную погрешность реального дифференцирующего преобразователя зависит от частоты-отрицательна и возрастает по абсолютной величине с увеличением частоты уменьшение частотной погрешности при заданной частоте возможно за счет снижения постоянной времени преобразователя 

Свойства интегрирующего преобразователя Сигнал на выходе интегрирующего преобразователя пропорционален интегралу от входного. Уравнение преобразования в интегральной и дифференциальной форме имеет вид:

Синусоидальный сигнал на входе интегрирующего преобразователя Амплитудно-частотная характеристика интегрирующего преобразователя обратно пропорциональна частоте входного сигнала

Свойства реального интегрирующего преобразователя Пример: пассивная интегрирующая RC-цепь Уравнение преобразования реального интегрирующего преобразователя, который получил также название апериодического или инерционного звена первого порядка

Синусоидальный сигнал на входе реального интегрирующего преобразователя АЧХ: ФЧХ: безразмерная чувствительность реального интегрирующего преобразователя уменьшается почти обратно пропорционально ωτ (сплошная кривая)и близка по характеру к зависимости для идеального интегрирующего преобразователя. При ωτ>>1 преобразователь приближается к идеальному интегрирующему преобразователю, при ωτ<<1– к безинерционному. Фазовая характеристика, т.е. угол сдвига фаз между выходным и входным сигналами, нарастает с увеличением частоты и асимптотически стремится к –π/2.

Погрешность реального дифференцирующего преобразователя (синусоидальный сигнал на входе)‏ Под динамической погрешностью преобразователя понимают разность между динамической чувствительностью реального преобразователя и динамической чувствительностью идеального преобразователя, т.е. осуществляющего данное преобразование без искажений Видно, что погрешность интегрирования всюду отрицательна и резко стремится к нулю при росте ω, точнее ωτ. погрешность интегрирующего преобразователя будет тем меньше, чем больше постоянная времени τ и чем больше частота ω (тогда как для дифференци-рующего преобразователя, данные для которого для сравнения приведены на этом же рисунке, погрешность падает с уменьшением τ и ω).

Свойства колебательного преобразователя К колебательным преобразователям относятся механические, акустические, гидравлические, электрические системы , в которых имеются обобщенныемасса, успокоение и жесткость, взаимосвязанные дифференциальным уравнением 2-го порядка

Гармонический сигнал на входе колебательного преобразователя Амплитудная частотная характеристика Фазовая характеристика - относительная частота - степень успокоения

Безразмерные частотные характеристики колебательного преобразователя при различных значениях степени успокоения β. наиболее равномерный вид имеет частотная характеристика при степени успокоения β=0,6-0,7; при β ≥1/√2 = 0.707 характеристика не имеет подъема; максимальное значение чувствительности при резонансной частоте ωрез и заданных S0 и С0 зависит только от степени успокоения β. резонансная частота, найденная из условия экстремума АЧХ, зависит от степени успокоения и отличается от собственной частоты ω0:

Фазовые характеристики колебательного преобразователя при различных значениях степени успокоения β при частоте равной частоте собственных колебаний преобразователя ω0 , угол сдвига фаз между входной и выходной величинами составляет 900 и не зависит от степени успокоения системы; при небольших степенях успокоения и частотах вблизи ω0 сдвиг по фазе между входной и выходной величинами может почти скачком достигать значений в 1800; при степени успокоения β=0,65-0,7 и при работе в диапазоне частот от 0 до η=0,65-0,7 фазовые характеристики можно приближенно рассматривать как прямые, выходящие из начала координат (η=0, α=0), т.е. α=kω.

Погрешности колебательного преобразователя при синусоидальном сигнале на входе Погрешность зависит от степени успокоения в системе Выделяются три крайних случая =0, т.е. успокоение отсутствует =1, критическое успокоение =0,707=2/2,

Погрешность колебательного преобразователя при разных степенях успокоения =0 1 (0) погрешность быстро возрастает; =1 (=0) погрешность ; 1 (0) погрешность становится отрицательной и быстро увеличивается по абсолютной величине. =1 Видно, что погрешность при всех частотах отрицательна и быстро возрастает с ростом частоты. =0,707=2/2 погрешность также всюду остается отрицательной, но возрастает значительно медленнее, чем при =1 Для =0,6, то видно, что с изменением частоты погрешность изменяется наиболее благоприятно

Электродинамический измерительный механизм Принцип действия электродинамического ИМ основан на взаимодействии магнитных потоков, созданных токами двух катушек: подвижной катушки 1, закрепленной на оси вращения с возвратными пружинами (Рис. 1, слева вверху указано обозначение данного ИМ); неподвижной катушки 2, состоящей из двух частей, между которыми проходит ось подвижной катушки;

Уравнение преобразования электродинамического ИМ на переменном токе

Магнитоэлектрический измерительный механизм В магнитоэлектрическом механизме вращающий момент возникает в результате взаимодействия тока в катушке и магнитного поля постоянного магнита

Электромагнитный измерительный механизм Вращающий момент в электромагнитном ИМ возникает в результате взаимодействия ферромагнитного сердечника подвижной части механизма и магнитного поля плоской катушки с током

Электростатический измерительный механизм Вращающий момент в электростатических механизмах возникает в результате взаимодействия двух систем заряженных проводников, одна из которых является подвижной

Свойства электростатического ИМ Видно, что угол поворота электростатического механизма от измеряемого напряжения зависит нелинейно. Линейную зависимость получают путем изготовления пластин специальной формы, при которой является требуемой функцией от угла α. Электростатический механизм имеет малое собственное потребление мощности от измеряемой цепи (на постоянном токе потребление равно нулю). На результат измерения малое влияние оказывают температура окружающей среды, частота и форма измеряемого напряжения. Отсутствует влияние магнитных полей, но влияют внешние электростатические поля, для защиты от которых используют металлические экраны.

Масштабные преобразователи Добавочный резистор и шунт Резистор, включенный последовательно с ИМ, вращающий момент которого зависит от тока, и используемый для измерения напряжения, называется добавочным резистором Резистор, включенный параллельно с ИМ, вращающий момент которого зависит от тока, называется шунтом.

Делители напряжения на постоянном токе Делители напряжения предназначены для получения определенного соотношения между входным напряжением U1 и выходным напряжением U2 при U2< U1. Простейший резисторный делитель не нагружен Коэффициент преобразования

Делители напряжения на переменном токе На переменном токе в общем случае коэффициент преобразования является комплексной величиной Z1, Z2- полные комплексные сопротивления соответствующих участков делителя. на переменном токе между напряжениями U1 и U2 появляется угол сдвига, который является угловой погрешностью делителя.

Измерительные трансформаторы переменного тока и напряжения Измерительные трансформаторы тока и напряжения применяют в качестве преобразователей больших переменных токов и напряжений в относительно малые величины, измерение которых возможно стандартными приборами с относительно небольшими пределами измерений.

Векторная диаграмма трансформатора тока Падения напряжения во вторичной цепи МДС в сердечнике

Выводы по диаграмме МДС оказывает размагничивающее действие на сердечник («–» в законе ЭМИ), т.к. индукционный ток сдвинут по фазе по отношению к почти на 1800 Вектор МДС , не совпадает по фазе с созданным им потоком . Отставание потока на угол δ обусловлено наличием гистерезиса и вихревых токов в сердечнике (или другими словами потерями в сердечнике)‏ Видно, что токи и не совпадают по фазе на угол δI, который, таким образом, определяет угловую погрешность преобразования

Основные соотношения, полученные с помощью диаграммы Ток в первичной обмотке Действительный коэффициент трансформации Токовая погрешность Угловая погрешность

Из анализа полученных уравнений можно сделать следующие выводы: При возрастании сопротивления вторичной обмотки или ее разрыве (I2=0) происходит возрастание МДС I0w1 до I1W1, это в свою очередь вызывает резкое увеличение потока Ф0, сопровождающееся а) ростом потерь в сердечнике и его перегрев, б)ростом ЭДС Е2, что может вызвать аварийную ситуацию пробоя Увеличение сопротивления нагрузки вторичной цепи, например, за счет включения большого числа приборов, приводит к росту I0 и тем самым к росту токовой и угловой погрешностей. I0 будет тем меньше, чем выше магнитная проницаемость сердечника и чем меньше магнитные потери, а также при уменьшении индукции до ~0,05-0,15 Тл Увеличение индуктивного сопротивления нагрузки приводит к увеличению угла ψ2 и следовательно к увеличению токовой погрешности (растет значение косинуса) и уменьшению угловой погрешности (значение синуса уменьшается)‏

Измерительные выпрямители Неуправляемые измерительные выпрямители среднего значения однополупериодный (a) и двухполупериодный (б)‏ Отсчет по ИМ пропорционален среднему значению переменного тока, чувствительность второй схемы в два раза выше, чем первой а)‏ б)‏

Измерительные выпрямители максимального значения Если постоянная времени RнС>>T , где Т период напряжения Ux, то на Rн всегда будет напряжение U–~ Um и данный выпрямитель можно использовать для измерения максимального значения переменного напряжения

Управляемые измерительные выпрямители Электромеханический выпрямитель может замыкать контакт А цепи измеряемого напряжения Ux на время равное половине периода управляющего напряжения Uу

Компенсаторы постоянного тока – потенциометры В потенциометрах осуществляется непосредственное сравнение измеряемого напряжения Ux (или ЭДС) с известным падением напряжения Uк на образцовом сопротивлении Rк В результате сравнения измеряемое напряжение определяется как: Ux= Uк= Iр Rк где Rк и Iр это известное сопротивление компенсатора и ток в нем IР= EN/ RУ

Компенсаторы переменного тока – потенциометры Принцип действия компенсаторов переменного тока заключается в том, что измеряемое напряжение Ux или ЭДС уравновешиваются известным напряжением, создаваемым рабочим током на участке рабочей цепи, питаемой напряжением U. Для уравновешивания двух напряжений переменного тока необходимо соблюдение следующих условий: равенство напряжений по модулю; противоположность по фазе; равенство частот; идентичность формы кривой напряжений.

Мосты постоянного тока схема одинарного моста Условие равновесия моста R1R4 = R2 R3 Измеряемое сопротивление

Уравновешенные мосты переменного тока Мосты переменного тока применяют для измерения емкости, индуктивности, взаимной индуктивности, добротности и угла потерь для электроизоляционных материалов

Отличительная особенность мостов переменного тока Из равенства двух комплексных чисел следует, что должны быть равны их реальные (вещественные) и мнимые части: r1 r4 - X1 X4 = r2 r3 - X2 X3 r1 X4 + r4 X1 = r2 X3 + r3 X2 1) два независимых уравнения позволяют определить мостом переменного тока одновременно две независимые величины; 2) для достижения равновесия моста переменного тока необходимо регулировать не менее двух параметров, входящих в уравнения равновесия Из показательной формы представления комплексных величин условия равновесия конкретизируются Z1. Z4 = Z2. Z3 φ1+ φ4 = φ2+ φ3 Z1, Z2, Z3, Z4 – модули полных сопротивлений плеч, φ1, φ2 , φ3 , φ4 – углы фазового сдвига тока относительно напряжения

Измерение электрической мощности Мощность в электрической цепи – это энергия, потребляемая нагрузкой от источника в единицу времени Среднее значение за период называют активной мощностью: При синусоидальном изменении u и i, при сдвиге фаз между ними φ, выражение для актив- ной мощности синусоидального тока P = UI cos φ где U и I действующие значения переменного напряжения и тока

Электродинамический ваттметр измерительным преобразователем мощности является электродинамический измерительный механизм Реализует метод прямых измерений активной мощности

Модуляционный ваттметр Принцип действия : аналоговые входные сигналы преобразуются Uu (сигнал пропорциональный напряжению на нагрузке) в амплитуду импульсов Ui (сигнал пропорциональный току в нагрузке) в длительность импульсов Площадь каждого из импульсов на выходе АМ пропорциональна мгновенной мощности при условии, что изменением Ui и Uu за период T0 можно пренебречь s(t)= Uu(t) ti(t)= k Uu(t) Ui(t)‏ Интегрирование (И - интегратор) напряжения на выходе АМ дает среднее за период входных сигналов значение мощности

Квантование, дискретизация и кодирование сигналов Квантование–это разделение измеряемой величины Х на ступени квантования ΔХ Дискретизация – это представление непрерывной функции X= f(t) рядом ее мгновенных значений Xk через интервал времени Δt , который называется шагом дискретизации

Времяимпульсный метод преобразования основан на преобразовании измеряемой величины в пропорциональный интервал времени, в течение которого на счетчик поступают импульсы строго стабильной частоты, так что число импульсов, сосчитанных за этот интервал времени, оказывается пропорциональным значению измеряемой величины Tx= αU0(б)= αUx(б)‏ Nx =f0 Tx Nx = α f0Ux в данном случае код, которым является число импульсов Nx, пропорционален Ux.

Кодоимпульсный метод преобразования Основан на сравнении измеряемой величины, например, напряжения Ux, с образцовым компенсирующим напряжением Uk, изменяющимся скачкообразно по определенному закону Этот метод может быть реализован двумя способами.

Два способа реализации кодоимпульсного метода Способ ступенчатого изменения Uk заключается в сравнении измеряемого напряжения Ux с рядом последовательно возрастающих (или убывающих) образцовых напряжений

Метод прямого преобразования аналоговой величины в число импульсов В схеме данного преобразователя используется интегрирующий усилитель постоянного тока УПТ с двумя входами При подаче напряжений на оба входа осуществляется интегрирование их алгебраической суммы