МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное агентство по образованию

^{________________}

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра геофизических информационных систем

Реферат

по метрологии

«Схемы соединения измерительных преобразователей. Метод сравнения»

Выполнил:    Мусалеев Харис Закариевич                                _______

                                                                                
                                                                                                      Подпись

 

Проверил: доцент Горбатюк Олег Васильевич                               _______

                                                                                                        
                                                                       Подпись

Сдан на проверку   07.12.2012

Дата защиты ________                                                        Оценка _________

Москва – 2012

1.Аннотация

Тема: «Схемы соединения измерительных преобразователей. Метод сравнения».

Страниц: 14

Иллюстраций: 5

Количество названий в списке литературы: 1

В реферате изложены основные сведения о схемах соединения измерительных преобразователей, рассмотренные на примерах, и методе сравнения.

2.Содержание

1.      Аннотация …………………………………………………………………………..2

2.      Содержание …………………………………………………………………………3

3.      Введение …………………………………………………………………………….4

4.      Схемы соединения измерительных преобразователей………………………….5

4.1.            Последовательное включение………………………………………………….5

4.2.            Делитель напряжения…………………………………………………………..5

4.3.            Потенциометрическая схема……………………………………………………6

4.4.            Неравновесные мосты…………………………………………………………..8

5.      Метод сравнения…………………………………………………………………..10

5.1.            Нулевой метод………………………………………………………………….10

5.2.            Дифференциальный метод…………………………………………………….11

5.3.            Метод совпадений……………………………………………………………..12

5.4.            Метод замещения………………………………………………………………12

6.      Вывод……………………………………………………………………………….13

7.      Список используемой литературы……………………………………………….14

3. Введение

Методом измерения называется совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Под принципами измерения понимают совокупность физических явлений, на которых они основаны. Методы измерения, в соответствии с определением, можно классифицировать по совокупности приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей или по реализованным принципам измерения.

            Для метрологического анализа традиционны классификации, основанные на следующих признаках. Первый из них – физический принцип, положенный в основу измерения. По нему все методы измерений делят на электрические, магнитные, акустические, оптические. Механические и так далее. В качестве второго признака классификации используют режим взаимодействия средства и объекта измерений. В этом случае все методы измерений подразделяют на статические и динамические. Третьим признаком может служить применяемы в средстве измерения вид измерительных сигналов. В соответствии с ним методы делят на аналоговые и цифровые.

            Для измерительной техники, информационно-измерительных систем классификация ориентирована на структурное описание средств измерений. Основными элементарными структурными единицами являются измерительные преобразователи, звенья, цепи, блоки. По принципам построения различают средства измерения прямого действия и сравнения и соответственно методы измерений – непосредственной оценки и сравнения. В средствах прямого действия широко применяют неоднократные, последовательные преобразования измеряемой величины в процессе измерений. В средствах измерения сравнения имеется цепь обратного преобразования (уравновешивания). Обратная связь может применяться и в средствах измерения прямого действия, однако, в них она всегда охватывает не весь процесс преобразования, а только небольшую его часть. 

4.Схемы соединения измерительных преобразователей

4.1.Последовательное включение

Последовательное включение резистивного преобразователя рассмот­рим на примере измерения сопротивления заземления R_A электрода А (см. рис. 1). Измерительная цепь состоит из последовательного соединения источника напряжения Е резистора R_p для регулировки тока и миллиамперметра. Разность потенциалов собственной поляризации DU_ПС между электро­дами А и В является помехой. Для устранения влияния помехи устанавливают Е >> D_ПС. В рассматриваемой цепи изменение сопротивления заземления электрода А вызывает соответствующее изменение силы тока. Силу тока оп­ределяют по падению напряжения DU на шунте (образцовом резисторе R₀ << R_п):

                    ,                                                .

Зависимость тока I от сопротивления R_A гиперболическая. Чувствительность S измерительной цепи значительно уменьшается с увеличением сопротивления цепи:

                             ,                  .                                 (1)

Нелинейность m схемы определим как

                                                                                                                                  
    (2)

После подстановки (1) в (2), при R_A >> R_p  получим

                                                   .

Недостатками последовательной схемы являются существенное влияние непостоянства сопротивления цепи и нелинейность. Применение высокоомных датчиков уменьшает влияние нестабильности и нелинейности цепи, однако, приводит к уменьшению чувствительности.

4.2.Делитель напряжения

Делитель напряжения позволяет снимать заданную часть от имеюще­гося постоянного или переменного напряжения. Делитель представляет со­бой электрическую цепь, состоящую из источника напряжения и ряда рези­сторов (конденсаторов, катушек индуктивности), в точках соединения кото­рых напряжение делится в заданном соотношении. Устройство, которое воспринимает результирующее напряжение, подсоединяется к одному из участков цепи параллельно.

Схема резистивного делителя с подсоединенным к нему милливольт­метром представлена на рис.1, б. При R₀ << R_П чувствительность, нелиней­ность не отличаются от соответствующих характеристик последовательной схемы. Нелинейность можно уменьшить, применяя профилированные рео­статные преобразователи. Схема отличается от предыдущей тем, что милли­вольтметр может быть подключен как к резистору R₀, так и к R₁, при этом изменяется вид градуировочной характеристики схемы (см. рис. 2, б1, б2). Отличия заключаются также в методике измерений: необходимо кроме DU измерять силу тока I или э.д.с, источника питания Е, и контролировать их по­стоянство в процессе измерений.

В токовой цепи, как и в схеме рис. 1, а, возможно в качестве обратного провода использовать землю. Помехи DU_ПС и изменение сопротивления за­земления DR_з в этом случае устраняют путем применения соответствующих соотношений: Е >> DU_ПС  и R₁ >> DR_З.

Рис. 1 Схемы измерения сопротивления резистивных преобразователей

4.3.Потенциометрическая схема

В потенциометрической схеме (см. рис. 1, в) применено дифференциальное включение резистора R_Д, причем две его половины R₁ и R₂ изменяются на одну и ту же величину DR, но различного знака, то есть R₁+DR, а вторая соответственно получает приращение обратного знака R₂-DR. В потенциометрической схеме сила тока I принципиально может быть установлена постоянной при использовании стабилизатора тока вместо источника напряжения E или балластного сопротивления R_б. Для этого необходимо выполнить следующие условия R_б  >>DR_З  и R_П >> R_Д. В этом случае

                                                      ,

Схема линейна m=0, а чувствительность

                                                      .

Нелинейность потенциометрической схемы возникает при R_П  ≠ ∞. В этом случае

                 ,       .

Для получения нелинейности 1,5% необходимо, чтобы R_П/R_Д=10.

В потенциометрической схеме измерения DR основаны на использовании закона Ома, определяющего взаимную связь между током I, сопротивлением R и напряжением U и называются методом «вольтметра и амперметра», так как требуется измерить две величины: напряжение и ток.

При выполнении измерений в полевых условиях, в скважинах геофизическая аппаратура подвергается механическим воздействиям, вследствие чего ее показания могут значительно отличаться от номинальных. В рассматриваемом методе рассчитываемое значение DR является функцией величин DU и тока I;  систематические ошибки, полученные при измерениях этих величин, входят в результат измерений DR, т.е. в численное значение исследуемого геофизического параметра с помощью омического датчика.

Предположим, что показания вольтметра в n раз отличаются от истин­ной величины DU,  а показания амперметра - в k раз от истинной величины тока I; тогда

 

  то есть измеряемое сопротивление будет в m раз отличаться от истинного значения. Очевидно,        что m может быть и меньше и больше единицы – измеряемый параметр может быть занижен или завышен, и лишь при n=k, m=1 – равен его действительному значению.

 Равенство п= к можно обеспечить или калибровкой амперметра и вольтметра при каждой смене скважинного прибора, или измерением и силы тока и разности потенциалов одним и тем же прибором. Первая операция весьма сложна; вторая - проста и поэтому используется в практике геофизи­ческих измерений. Поэтому вольтметр поочередно подключается к датчику R или образцовому резистору R₀ через который протекает ток I. Измеряют па­дения напряжения DU и DU₀ на этих сопротивлениях. Рассчитывают ток I =DU₀/R₀. Учитывая, что измерения DU и DU₀ выполнены одним вольтметром, с одинаковой систематической (мультипликативной) погрешностью, получим:

Из сказанного следует, что при геофизических исследованиях скважин измерение сопротивления омического датчика методом вольтметра и ампер­метра допустимо только при условии, что сила тока и разность потенциалов измеряются одним и тем же прибором - вольтметром; в противном случае может быть получена систематическая ошибка, превышавшая допустимую. В питающей цепи схемы амперметр остается, однако он используется как ин­дикатор.

4.4.Неравновесные мосты

Неравновесные мосты. Основная идея построения неравновесных мос­товых цепей состоит в исходной компенсации начального значения выходно­го сигнала, чтобы при входной величине, равной нулю, он был также равен нулю. Для этого к делителю R₁, R₂ содержащему преобразователь R_х = R₁, добавляется еще один делитель R₃,R₄  так, чтобы напряжение DU на вольт­метре в исходном положении отсутствовало.

             В низкоомных мостах общий ток I=E/(R_б + r_i + R_M) при изменении со­противлений плеч меняется незначительно, если R_б+r_i >> R_м. Здесь r_i - внутреннее сопротивление цепи источника питания, R_м  - сопротивление моста в диагонали АВ, Функция преобразования мостовых схем (см. рис. 1, д) может быть получена по известному правилу Кирхгофа:

где I_П  - сила тока в диагонали моста MN при наличии измерительного прибора, R_П – внутреннее сопротивление измерительного прибора,  I – сила тока в питающей диагонали АВ моста.

Цепь неравновесного моста имеет больше возможностей, чем цепь в виде делителя, так как резистивный преобразователь может быть включен одно, два, либо четыре плеча, применены дифференциальные преобразователи. При наличии помехи в смежных плечах осуществляется ее компенсация. Для повышения чувствительности мостовых схем применяют два одинаковых чувствительных элемента R₁ и R₃ (см. рис.14, г), или две пары чувствительных элементов R₁,R₃ и R₂,R₄, причем вторая пара должна иметь противоположную по знаку чувствительность.

              Так как каждая ветвь моста (R₁, R₂ и R₃,R₄) имеет одинаковое сопротивленне 2R, то сила тока в точке А делится на две равные части и в каждой из ветвей равна I/2. Поэтому падение напряжения на плечах AM и AN будет соответственно

                                                    и

                Отсюда

                Очевидно, что в данной схеме при R_П >> R_M чувствительность равновесного моста S=I/2 – строго постоянная величина; нелинейность отсутствует (m=0).

                 Мостовая схема с одним чувствительным плечом (см. рис. 1, д) позволяет подключать его, используя двухпроводную линию связи или одножильный бронированный кабель, в инклинометре КИТ. Чувствительность и нелинейность данной схемы могут быть вычислены по формулам:

               Как видно, нелинейность пропорциональна изменению переменного плеча и тем меньше, чем больше сопротивление плеч моста по сравнению с сопротивлением чувствительного элемента; причины, увеличивающие чувствительность схемы, вызывают уменьшение нелинейности. Чтобы уменьшить погрешность от нелинейности, не следует допускать, чтобы DR была очень большой, то есть производить измерения с сильно неуравновешенным мостом. Для этого в мостовых схемах с одним чувствительным плечом одно из постоянных плеч делают ступенчато регулируемым, при помощи него восстанавливается равновесие моста при значительном отклонении DR от 0.

               Сравнение градуировочных характеристик электрических схем с резистивными преобразователями (рис. 1, а-д) приведено на рис.2.

             Рис.2. Градуировочные характеристики электрических схем с резистивными преобразователями.

5.Метод сравнения

                 Методом сравнения называется совокупность приемов использования физических явлений и процессов для определения соотношения однородных величин. Наиболее часто это соотношение устанавливается по знаку разности сравниваемых величин.

Далеко не каждую физическую величину можно сравнить при этом с себе подобной. Все физические величины в зависимости от возможности создания разностного сигнала делятся на три группы. К первой группе относятся физические величины, которые можно вычитать и, та­ким образом, непосредственно сравнивать без предварительного преобразования. Это - электрические, магнитные и механические величины. Ко второй группе относятся физические величины, неудобные  для вычитания, но удобные для коммута­ции, а именно: световые потоки, ионизирующие излучения, потоки жидкости и газа. Третью группу образуют физические величины, характеризующие состояние объектов или их свойств, которые физически невозможно вычитать. К таким физическим величинам отно­сятся влажность, концентрация веществ, цвет, запахи др.

Параметры сигналов первой группы наиболее удобны для сравнения, второй - менее удобны, а третьей - непосредственно сравнивать невозможно. Однако последние необходимо сравнивать и измерять, поэтому их приходит­ся преобразовывать в другие величины поддающиеся сравнению.

Для выполнения сравнения применяют меры физических величин, ко­торые входят в цепь обратного преобразования (уравновешивания). Проце­дура сравнения размера измеряемой физической величины x с размером выходкой величины регулируемой многозначной меры N состоит из следующих элементарных операций:

-измерительное преобразование измеряемой физической величины x в другую физическую величину f(x), однородную или неоднородную с ней;

-воспроизведение по заданному значению N с оговоренной точностью физической величины f(N) однородной величине f(x);

-сравнение однородных физических величин f(x) и f(N).

Степень совершенства операции воспроизведения физической величины заданного размера определяется постоянством размера каждой ступени квантования меры и степенью многозначности, то есть числом N воспроизводимых известных значений.

Методы сравнения разделяют на дифференциальный, нулевой, совпадений, замещения.

5.1.Нулевой метод

Нулевой метод - метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект сравнения измеряемой и образцовой величин доводят до нуля, то есть f(x) = f(N). Это контролируется специальным средством измерения- нуль-индикатором (компаратором). Например, при измерении электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием R(x) = R(N) (см. рис.3). Высокая чувствительность нуль-индикаторов, а также выполнение меры с высокой точностью позволяют получить малую погрешность измерения.

                           

Рис. 3 Схема средства измерения нулевого метода

5.2.Дифференциальный метод

                 В дифференциальном методе мерой f(N) не полностью уравновешивают измеряемую величину f(x). Разность D=f(x)-f(N) измеряется прибором непосредственной оценки в масштабе измеряемой величины x. Разность, полученная в результате уравновешивания, и значение воспроизведенное мерой суммируются, то есть результатом измерения является x=D+N (см. рис.4). Например, измерения температуры в скважине с компенсацией части сигнала с помощью ГКП, отградуированного в градусах. Дифференциальный метод позволяет получать результаты с высокой точностью даже при применении относительно грубых средств для измерения разности. Например, если разность D составляет 1% и измеряется с погрешностью до 1%, то тем самым погрешность измерения искомой величины уменьшается до 0,01% (если не учитывать погрешность меры).

                 Дифференциальные и нулевые методы нашли очень широкое применение во всех видах измерений: от технических до сличения эталонов – так как используются меры (гири, нормальные элементы и др.) точнее, чем соответствующие им по стоимости и степени сложности приборы.

Рис. 4 Схема средства измерения дифференциального метода

5.3Метод совпадений

Метод совпадений - это метод сравнения с мерой, в котором разность между искомым и воспроизводимым мерой значениями физической величины измеряют, ис­пользуя совпадения отметок шкал или периодических сигналов. Например, при измерении длины штангенциркулем наблюдают совпадение отметок на шкалах штангенциркуля и нониуса. В электрических измерениях метод сов­падений применяется при измерении частоты вращения тела посредством стробоскопа.

5.4Метод замещения

Метод замещения основан на сравнении с мерой, с помощью которой измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой, сохраняя все условия измерений и характеристики средства измерений неизменными. Например, измерения при установке расчетного сопротивления измерительной цепи геофизической лаборатории, в которую входит переменное сопротивление жил кабеля. Регулировка сопротивления измери­тельной цепи лаборатории выполняется следующим образом: в измерительную цепь подают стандарт-сигнал от градуированного компенсатора поляризации ГКП, заменяют часть цепи R_k образцовым резистором с сопротивлени­ем R = 600 Ом, получают образцовое значение DU_MN, отключают образцовый резистор, регулируют сопротивление R_kk измерительной цепи до получения образцовых показаний DU_MN (см. рис.5).

Рис. 5 Схема средства измерения метода замещения

8.Вывод

            Средства измерения прямого действия более просты, а поэтому имеют большую надежность, меньшие габариты, стоимость и очень высокое быстродействие. Средства измерения уравновешивающего преобразования обеспечивают лучшие показатели точности и рабочего диапазона.

1.     Список использованной литературы

1)      Широков В.Н., Лобанков В.М. Основы метрологии, стандартизации и сертификации в геофизике. ч. 1. Основы метрологии геофизических измерений в скважинах. – М.: РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, 2002 год