Электрические измерения и электроизмерительные приборы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Тема 1. Особенности электрических измерений и единицы электрических величин

1.1 Общие сведения

1.2 Особенности электротехнических измерений

1.3 Основные понятия при измерении физических величин

1.4 Международная система единиц

1.5 Виды и методы измерений

1.6 Средства измерений и их классификация

1.7 Эталоны единиц электрических величин

Тема 2. Погрешности и обработка результатов измерений

2.1 Общие сведения

2.2 Классификация погрешностей

2.3 Основные классы погрешностей измерений

Основные классы погрешностей измерений

Тема 3. Электроизмерительные приборы непосредственной оценки

3.1 Устройство подвижной части измерительного механизма

3.2 Магнитоэлектрические механизмы

3.3 Электромагнитные механизмы

3.3.1 Устройство и принцип действия электромагнитных механизмов

3.3.2 Электромагнитные амперметры и вольтметры

3.4 Ферродинамические измерительные механизмы

3.5 Электродинамические измерительные механизмы

Введение

Измерения играют важнейшую роль в жизни человека. На протяжении всей истории развития науки и техники перед человеком возникает множество проблем, для решения которых необходимо располагать количественной информацией о том или ином свойстве объектов материального мира. Основным способом получения такой информации являются измерения.

Измерения - это определение физической величины опытным путём.

Можно сказать, что прогресс науки и техники определяется степенью совершенства измерений и измерительных средств. Единой научной и законодательной базой, обеспечивающей на практике высокое качество измерений является метрология (от греч. «метрон» -- мера, «логос» -- учение).

Метрология -- наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Главным предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью.

Зарождение в нашей стране метрологической службы следует отнести к 1842 г., когда был издан закон о мерах и весах, предусматривающий создание первого в России метрологического учреждения -- Депо образцовых мер.

Основателем отечественной метрологии стал русский ученый Д.И. Менделеев (1834-1907). В 1893 г. в России была основана Главная палата мер и весов, директором которой был назначен Д.И. Менделеев.

В задачи палаты входило не только хранение эталонов и обеспечение поверки по ним средств измерений, но и проведение научных исследований в области метрологии. Затем в нашей стране стали создаваться местные поверочные палаты. Основателем метрологии, как науки был К.Ф. Гаусс. Большой вклад в развитие метрологии внес В.Э. Вебер, который вместе с К.Ф. Гауссом разработал абсолютную систему электрических и магнитных единиц.

История развития техники электрических измерений связана с именами русских ученых М.В. Ломоносова и Г.В. Рихмана, которые в 40-х годах XVIII в. сконструировали первый в мире электроизмерительный прибор, названный авторами указатель электрической силы. Выдающиеся ученые (А. Вольта, Ш. Кулон, Г. Ом, М. Фарадей и др.) во второй половине XVIII -- первой половине XIX века продолжили создание других видов приборов. В частности, закон Ома был открыт при наблюдении взаимодействия провода с током, расположенного рядом с магнитной стрелкой, -- прообраза приборов магнитоэлектрической системы.

С помощью этого несложного устройства М. Фарадей установил закон электромагнитной индукции (1826-1931).

Во второй половине XIX в. вклад в развитие электроизмерительных приборов внесли русские ученые А.Г. Столетов, Б.С. Якоби и М.О. Доливо-Добровольский, предложивший электромагнитные приборы.

Первые измерительные приборы использовали лишь для относительной оценки физической величины. Такое положение сохранялось до тех пор, пока не были определены электрические меры.

Вначале (середина XIX в.) эти меры, созданные отдельными учеными в разных странах, не были одинаковыми. По взаимной договоренности на специальной международной конференции с участием России в 1875 г. была подписана метрическая конвенция, по которой страны обязались содержать «Международное бюро мер и весов» как центр, обеспечивающий единство измерений в международном масштабе. При этом в широком смысле под единством измерений понимается характеристика качества измерений, заключающаяся в том, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам воспроизведенных величин, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы. Применительно к нашей стране, согласно Закону Российской Федерации «Об обеспечении единства измерений», единство измерений -- состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью.

Разработка и внедрение техники электрорадиоизмерений совпало с началом развития систем радиосвязи и радиотехники. Существенное внимание данным вопросам уделял крупнейший русский ученый, изобретатель радио А.С. Попов. Основоположником отечественной радиоизмерительной техники считается академик М.В. Шулейкин, организовавший в 1913 г. первую заводскую лабораторию по производству измерительных приборов. Неоценимый вклад в развитие техники электрорадиоизмерений внес академик Л.И. Мандельштам, создавший в начале XX в. прототип современного электронного осциллографа.

Метрология включает общую теорию измерений физических величин, устанавливает и регламентирует единицы физических величин и их системы, порядок передачи размеров единиц от эталонов образцовым и рабочим средствам измерений, методы и средства измерений, общие методы обработки результатов измерений и оценки их точности. Наряду с метрологией проблемами создания и применения средств измерений для получения измерительной информации и возникающими при этом научными и техническими вопросами занимается измерительная техника.

Фундаментальной основой измерительной техники является метрологическое обеспечение. Метрологическое обеспечение расположено на четырех краеугольных камнях (рис. 1): научной, нормативно-технической, организационной и правовой (законодательной) основах.



Рис.1. Структура метрологического обеспечения измерений

Научная метрология, являясь базой измерительной техники, занимается изучением проблем измерений в целом и образующих измерение элементов: средств и приборов измерений, физических величин и их единиц, методов и методик измерений, результатов и погрешностей измерений и пр.

Нормативно-технической основой метрологического обеспечения является комплекс государственных стандартов, состоящий из следующих систем:

* государственных эталонов единиц физических величин;

* передачи размеров единиц физических величин от эталонов или исходных образцовых средств измерений нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений;

* разработки, производства и выпуска в обращение средств измерений, обеспечивающих определение с требуемой точностью характеристик продукции, технологических процессов и других объектов в сфере материального производства, при научных исследованиях и других видах деятельности;

* обязательных государственных испытаний средств измерений;

* обязательной государственной и ведомственной поверки или метрологической аттестации средств измерений;

* стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов, обеспечивающая воспроизведение единиц величин, характеризующих состав и свойства веществ и материалов;

* стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов;

* общие методы нормирования оценки и контроля метрологических характеристик средств измерений.

Организационной основой метрологического обеспечения нашего государства является метрологическая служба Российской Федерации. Она состоит из государственной и ведомственных метрологических служб, образующих покрывающую всю страну сеть учреждений и организаций, возглавляемых Государственным комитетом Российской Федерации по стандартизации и метрологии (Госстандартом Российской Федерации).

Правовая основа. государственных стандартов, объединенных в Государственную систему обеспечения единства измерений (ГСОЕИ, упрощенное -- ГСИ), установлена единая номенклатура стандартных взаимоувязанных правил и положений, требований и норм, относящихся к организации, методике оценивания и обеспечения точности измерений.

Раздел метрологии, включающий комплексы взаимосвязанных общих правил, требований и норм, а также вопросы регламентации и государственного контроля, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений, называется законодательной метрологией. Это, в свою очередь, предписывает соответствующий надзор за средствами измерений, который осуществляется органами метрологической службы, обеспечивающей единообразие средств измерений.

В метрологии, как и в любой другой науке, недопустимо произвольное толкование применяемых терминов. Поэтому один из основных метрологических документов Рекомендации ПМГ 29-99 «ГСИ. Метрология. Основные термины и определения» специально регламентирует терминологию в области метрологии.

В настоящее время измерения почти полностью перешли на цифровые методы, воплощенные в приборах с цифровым отсчетом и регистрацией; существенно расширяются диапазоны измеряемых величин; в измерительных системах широко применяется микроэлектроника; появилась необходимость в измерении характеристик случайных процессов. Все это требует нового подхода к состоянию средств радиоизмерений, к соответствию их метрологических свойств установленным нормам. В последние годы сформировалось и успешно развивается новое направление в измерительной технике -- компъютерно-измерительные системы (КИС) и их разновидность -- виртуальные приборы -- Virtual Instruments (виртуальный -- кажущийся). Виртуальный прибор -- специальная плата, устанавливаемая в персональный компьютер (в слот ISA или PCI) или внешнее устройство, подключаемое через LPT-порт в комплексе с соответствующим программным обеспечением. В зависимости от используемой платы и программного обеспечения пользователь получает измерительный прибор под ту или иную метрологическую задачу. Очевидно, что многие метрологические и исследовательские задачи будут в XXI в. решаться с помощью КИС и виртуальных приборов.

Тема 1. Особенности электрических измерений и единицы электрических величин

1.1 Общие сведения

Бурное развитие различных направлений измерительной техники средств радиоаппаратостроения и радиотехники в целом предъявляет все более высокие требования к метрологическому обеспечению и уровню электрорадиоизмерений. В этой связи элетротехническим измерениям характерны:

* расширение пределов измеряемых величин и повышение точности их измерений;

* разработка новых методов измерений и приборов с использованием новейших физических принципов действия;

* внедрение автоматизированных измерительных систем, обладающих высокой точностью, быстродействием и надежностью.

Электротехническим измерениям свойственен ряд особенностей:

1. широкий диапазон измеряемых величин, например по мощности -- от долей микроватт до сотен киловатт, по напряжению -- от долей микровольт до сотен тысяч вольт, по частоте -- от 10 до 3 -10 Гц и более, по величине сопротивления -- от 10 ^-6 до 10¹² Ом и т.д.

2. применение приборов для наблюдения и регистрации колебаний (осциллографов, анализаторов спектров) и источников электрических колебаний (измерительных генераторов).

3. разнообразие измерений даже в одном эксперименте, необходимость комплексного их проведения, быстродействие, точность, а следовательно, автоматизация измерений.

1.2 Особенности электротехнических измерений

Основными видами электротехнических измерений, выполняемых на постоянном и переменном токе промышленной частоты 50 Гц, являются определение силы тока, напряжения, сопротивления, мощности и энергии. Для отсчета значений этих параметров служат стрелочные индикаторы электромагнитной, магнитоэлектрической, электродинамической или ферродинамической системы, к чувствительности которых не предъявляют жестких требований, так как измерения выполняют в цепях большой мощности. При этом потребляемый индикатором ток должен быть гораздо меньше токов в контролируемых цепях.

Радиоизмерения, выполняемые на переменном токе повышенной частоты (до сотен и тысяч мегагерц), имеют особенности:

при увеличении частоты возрастает влияние собственных индуктивностей и емкостей прибора.

Следовательно, стрелочные индикаторы, имеющие катушки и стальные сердечники, использовать нельзя. Приборы, применяемые на высоких частотах, должны иметь минимальные собственные емкости и индуктивности. Емкость подводящих проводов должна быть снижена. При работе с прибором следует знать его частотные возможности, т. е. диапазон частот, в котором частотная погрешность не превышает допускаемого значения.

2. В цепях электронной аппаратуры протекают сравнительно малые токи, поэтому следует использовать приборы очень высокой чувствительности, значительные перемещения указателя которых вызываются малыми значениями измеряемой величины. В радиоизмерительные приборы для повышения чувствительности вводят соответствующие усилители.

3. Входное сопротивление приборов должно быть достаточно велико, чтобы их подключение незначительно меняло режим работы исследуемой схемы. Если считать, что наибольшие сопротивления резисторов в схемах составляют 1 МОм, необходимы приборы, имеющие входные сопротивления 10--20 МОм, подключение которых почти не оказывает шунтирующего влияния на контролируемые участки схемы. Однако большинство приборов не имеет больших входных сопротивлений и оказывает некоторое шунтирующее влияние, особенно на высокоомные участки исследуемой схемы, что вызывает снижение показаний по сравнению с действительными.

4. Приборы для выполнения измерений на высокой частоты должны иметь малую входную емкость. Особо жесткие требования в отношении минимальной входной емкости предъявляют к приборам, подключаемым к колебательным турам: входная емкость прибора должна быть значительно меньше емкости контура, тогда его подключение значительно уменьшит резонансную частоту контура.

Широкое применение в измерительной технике имеют электронные осциллографы, позволяющие визуально наблюдать форму переменных напряжений и оценивать мгновенные значения. Особо важны осциллографы для контроля формы импульсных сигналов. Современные осциллографы позволяют с достаточной точностью измерять амплитудные и временные параметры сигнала.

1.3 Основные понятия при измерении физических величин

В измерениях для количественного описания различных свойств процессов и физических тел вводят понятие величины.

Величина -- свойство чего-либо, которое может быть выделено среди других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе и количественно.

Измерение физических величин - это их количественное выражение определенным числом в установленных единицах измерения.

Размер физической величины -- количественная определенность величины, присущая конкретному предмету, системе, явлению или процессу.

Значение физической величины -- оценка размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц измерения.

Числовое значение физической величины -- отвлеченное число, выражающее отношение значения физической величины к соответствующей единице данной физической величины (например, 10В -- значение амплитуды напряжения, причем само число 10 -- и есть числовое значение). Именно термин «значение» следует применять для выражения количественной стороны рассматриваемого свойства.

Неправильно говорить и писать «величина тока», «величина напряжения» и т.д., поскольку ток и напряжение сами являются величинами (правильным будет применение терминов «значение силы тока», «значение напряжения» и пр.).

Для обозначения частных особенностей физических величин применяют термин «параметр». Например, конденсатор характеризуют таким частным параметром, как тангенс угла потерь. Иногда параметром называют саму измеряемую физическую величину -- амплитуду, фазу, частоту.

При выбранной оценке физической величины ее характеризуют истинным, действительным и измеренным значениями.

Истинным значением физической величины называют значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Определить экспериментально его невозможно вследствие неизбежных погрешностей измерения.

Погрешность измерения -- отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Так как истинное значение физической величины определить невозможно, на практике оперируют понятием действительного значения, степень приближения которого к истинному значению зависит от точности средства измерения и погрешности самих измерений.

Действительным значением физической величины называют ее значение, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для определенной цели может быть использовано вместо него.

Действительное значение физической величины определяют по образцовым мерам и приборам, погрешностями которых можно пренебречь по сравнению с погрешностями применяемых рабочих средств измерения.

Измеренным значением называют значение величины, отсчитанное по индикаторному устройству средства измерения.

Важную роль в процессе измерения играют условия измерения -- совокупность влияющих величин, описывающих состояние окружающей среды и средства измерений.

Влияющая физическая величина -- физическая величина, непосредственно не измеряемая средством измерения, но при своих измерениях оказывающая влияние на результат измерения.

Различают нормальные, рабочие и предельные условия измерений.

При нормальных условиях измерений влияющие величины имеют нормальные или находящиеся в пределах нормальной области значения. Нормальная область значений влияющей величины -- область значений, в которой изменением результата измерений под воздействием влияющей величины можно пренебречь.

Рабочими условия измерений называют, при которых влияющие величины находятся в пределах своих рабочих областей.

Предельные условия измерений характеризуют экстремальными значениями измеряемой и влияющих величин, которые средство измерения может выдержать без разрушений и ухудшения характеристик.

Постоянная физическая величина -- физическая величина, размер которой по условиям измерительной задачи можно считать постоянным за время, превышающее длительность измерения.

Переменная физическая величина -- физическая величина, изменяющаяся по размеру в процессе измерения.

Физический параметр -- физическая величина, характеризующая частную особенность измеряемой величины.

Единица физической величины -- величина фиксированного размера, которой условно присвоено стандартное числовое значение, равное единице. Единицы физических величин делят на основные и производные и объединяют по определенным принципам в системы единиц физических величин.

1.4 Международная система единиц

Единица измерения должна быть установлена для каждой из физических величин, при этом необходимо учитывать, что многие физические величины связаны между собой определенными зависимостями. Поэтому лишь часть физических величин и их единиц могут определять независимо от других. Такие величины называют основными. Остальные физические величины определяют с использованием физических законов и зависимостей через основные.

Совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, называется системой единиц физических величин. Единица основной физической величины является основной единицей системы.

Международная система единиц (система СИ; SI -- от франц. Systeme International -- The International System of Units) была принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 г. К основным характеристикам системы СИ следует отнести:

* универсальность, т.е. охват всех областей науки и техники;

* унификация всех областей и видов измерений;

* возможность воспроизведения единиц с высокой точностью в соответствии с их определением с наименьшей погрешностью;

* упрощение записи формул и уменьшение числа допускаемых единиц;

* единая система образования кратных и дольных единиц, имеющих собственные наименования.

В основу системы СИ положены семь основных и две дополнительные физические единицы. Основные единицы: метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела (табл. 1.1).

Таблица 1.1. Единицы Международной системы СИ

Величина	Единица
Наименование	Размерность	Наименование	Обозначение
			международное	русское
	Основные единицы
Длина	L	метр	m	м
Масса	М	килограмм	kg	кг
Время	Т	секунда	s	с
Сила электрического тока	I	ампер	А	А
Температура		кельвин	К	К
Количество вещества	N	моль	mol	моль
Сила света	J	кандела	cd	кд
Дополнительные единицы
Плоский угол	-	радиан	rad	рад
Телесный угол	-	стерадиан	sr	ср

Метр равен расстоянию, проходимому светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды.

Килограмм -- единица массы, определяемая как масса международного прототипа килограмма, представляющего цилиндр из сплава платины и иридия.

Секунда равна 9192631770 периодам излучения, соответствующего энергетическому переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133.

Ампер -- сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывал бы силу взаимодействия, равную 2*10^-7 Н (ньютон) на каждом участке проводника длиной 1 м.

Кельвин -- единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды, т.е. температуры, при которой три фазы воды -- парообразная, жидкая и твердая -- находятся в динамическом равновесии.

Моль -- количество вещества, содержащей столько структурных элементов, сколько содержится в углероде-12 массой 0,012 кг.

Кандела -- сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540*10¹² Гц, чья энергетическая сила излучения в этом направлении составляет 1 /683 Вт/ср (ср -- стерадиан).

Дополнительные единицы системы СИ предназначены и используются для образования единиц угловой скорости, углового ускорения. К дополнительным физическим величинам системы СИ относят плоский и телесный углы. ^ч

Радиан (рад) -- угол между двумя радиусами окружности, длина дуги которой равна этому радиусу. В практических случаях часто используют такие единицы измерения угловых величин: градус -- 1 ° = 2р/360 рад = 0,017453 рад; основные единицы системы СИ образуют из основных и дополнительных единиц. Производные единицы бывают когерентными и некогерентными. Когерентной называют производную единицу величины, связанную с другими единицами системы уравнением, в котором числовой множитель -- единица (например, скорость v равномерного прямолинейного движения связана с длиной пути / и временем / соотношением v = lit). Остальные производные единицы -- некогерентные.

Среди получивших широкое распространение внесистемных единиц отметим киловатт-час, ампер-час, градус Цельсия, и т.д.

Сокращенные обозначения единиц, как международных, так и русских, названных в честь великих ученых, пишутся с заглавных букв.

Например: ампер -- А; ом -- Ом; вольт -- В; фарад -- Ф (часто используют не регламентируемый термин -- фарада). Для сравнения: метр -- м, секунда -- с, килограмм -- кг.

В табл. 1.2 приведены производные единицы.

Таблица 1.2. Производные единицы

Величина	Единица
Наименование	Размерность	Наименование	Обозначение
			международное	русское
Частота	Т-1	герц	Нz	Гц
Энергия, работа, количество теплоты	L2МТ-2	джоуль	J	Дж
Сила, вес	LMT-2	ньютон	N	Н
Мощность, поток энергии	L2МТ-3	ватт	W	Вт
Количество электричества	Т1	кулон	С	Кл
Электрическое напряжение, электродвижущая сила (ЭДС), потенциал	L2М Т-3 I-1	вольт	V	В
Электрическая емкость	L-2М-1Т412	фарад	Р	Ф
Электрическое сопротивление	L2МТ-3 I-2	ом	?	Ом
Электрическая проводимость	L-2М-1Т312	сименс	S	См
Магнитная индукция	MT-2I-1	тесла	Т	Тл
Поток магнитной индукции	L2МТ-2 I-1	вебер	Wb	Вб
Индуктивность, взаимная индуктивность	L2МТ-2 I-2	генри	H	Гн

Применение целых единиц не всегда удобно, так как в результате измерений получаются большие или малые их значения. Поэтому в системе СИ установлены ее десятичные кратные и дольные единицы, которые образуются с помощью множителей. Кратные и дольные единицы величин пишутся слитно с наименованием основной или производной единицы, например: километр (км), милливольт (мВ), мегагерц (МГц), наносекунда

Кратная единица физической величины -- единица, большая в целое число раз системной, например килогерц (10³ Гц). Дольная единица физической величины -- единица, меньшая в целое число раз системной, например, микрогенри (10 ^-6 Гн).

В таблице 1.3.представлены множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц СИ

Таблица 1.3. Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц СИ

Множитель	Приставка	Обозначение приставки
		Международное	русское
1018	экса	Е	э
1015	пета	Р	п
1012	тера	Т	т
109	гига	G	Г
106	мега	М	М
103	кило	k	к
102	гекто	h	г
10'	дека	da	да
10 -1	деци	d	д
10 -1	санти	с	с
10 -3	милли	m	М
10 -6	микро	Ц	мк
10 -9	нано	n	н
10 -12	пико	Р	п
10 -15	фемто	f	ф
10 -18	атто	a	а

1.5 Виды и методы измерений

По общим приемам получения результатов измерений измерения делятся: на прямые, косвенные, совместные и совокупные.

Прямые -- измерения, при которых значение физической величины находится непосредственно из опытных данных. Прямые измерения характеризуют формулой

А = х

Где: х -- значение величины, найденное путем ее измерения и называемое результатом измерения.

Косвенным называют измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Косвенные измерения можно охарактеризовать следующей формулой:

где: х₁ х₂,..., х_т -- результаты прямых измерении величин, связанных функциональной зависимостью с искомым значением измеряемой величины А.

К косвенным измерениям относится определение величины сопротивления по известным значениям силы тока в цепи и падении напряжения на данном резисторе.

Совокупными называют проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых их значения находят решением системы уравнений, получаемых при прямых или косвенных измерениях различных сочетаний этих величин.

Например, измеряя сопротивления R_аb, R_ас и R_bс между вершинами треугольника электрической цепи, в котором соединены сопротивления резисторов R₁, R₂ R₃ (рис. 1.1) и, решая систему уравнений можно определить искомые значения сопротивлений методом совокупных измерений:

Рис. 1.1. К методу совокупных измерений

Совместными называют проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для установления зависимости между ними.

Как видно из определений, совокупные и совместные измерения весьма близки друг к другу. В обоих случаях искомые значения находят в результате решения системы уравнений, коэффициенты в которых получены путем прямых измерений. Отличие состоит в том, что при совокупных измерениях одновременно определяют несколько одноименных величин, а при совместных -- разноименных.

Наиболее известный пример совместных измерений -- определение зависимости сопротивления резистора от температуры.

Косвенные, совместные и совокупные измерения объединены общим свойством: их результаты рассчитывают по известным функциональным зависимостям между измеряемыми величинами и величинами, определяемыми прямыми измерениями.

Различие между этими видами измерений заключается лишь в виде функциональной зависимости, используемой при расчетах. При косвенных измерениях она выражается одним уравнением в явном виде, при совместных и совокупных -- системой неявных уравнений.

Основные методы измерений

Современные методы измерений принято делить на метод непосредственной оценки и метод сравнения (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Классификация методов измерения

При методе непосредственной оценки численное значение измеряемой физической величины определяют непосредственно по показанию измерительного прибора (например, измерение напряжения вольтметром, силы тока -- амперметром). Быстрота процесса измерения методом непосредственной оценки делает его часто незаменимым на практике, хотя точность измерения обычно ограничена.

Метод сравнения -- метод измерений, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Это может быть, например, измерение напряжения постоянного тока путем сравнения с ЭДС эталонного элемента. Приборы, реализующие измерение по методу сравнения, называют измерительными приборами сравнения. В отличие от приборов непосредственной оценки, удобных для получения оперативной информации, приборы сравнения обеспечивают большую точность измерений.

Различают следующие разновидности метода сравнения: нулевой метод, при котором действие измеряемой величины полностью уравновешивается образцовой; * дифференциальный метод, когда измеряется разница между измеряемой величиной и близкой ей по значению известной эталонной (например, измерение электрического сопротивления методом неуравновешенного моста); этот метод сравнения используют тогда, когда практическое значение имеет отклонение измеряемой величины от некоторого номинального значения (уход частоты, отклонение напряжения и т.д.);

* метод замещения, при котором действие измеряемой величины замещается образцовой.

Нулевой метод обеспечивает наибольшую точность измерений физической величины. Его разновидностями являются:

* компенсационный метод, при котором действие измеряемой величины компенсируется (уравновешивается) образцовой;

* мостовой метод, когда достигают нулевого значения тока в измерительной диагонали моста, в которую включается чувствительный индикаторный прибор (обычно нуль-индикатор).

По способу преобразования измеряемой величины и форме представления результата измерения делятся на аналоговые и цифровые.

1.6 Средства измерений и их классификация

Средство измерений (СИ) -- техническое средство (или их комплекс), предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным в течение известного интервала времени.

Для средств измерений можно выделить некоторые общие признаки, присущие всем средствам измерений независимо от области применения.

По роли, выполняемой в системе обеспечения единства измерений, различают следующие средства измерений:

* метрологические, предназначенные для метрологических целей -- воспроизведения единицы и (или) ее хранения или передачи размера единицы рабочим средствам измерений;

* рабочие, применяемые для измерений, не связанных с передачей размера единиц.

Метрологические средства измерений весьма немногочисленны. Их разрабатывают, производят и эксплуатируют в специализированных научно-исследовательских центрах. Поэтому подавляющее большинство используемых на практике средства измерений принадлежат ко второй группе.

По уровню автоматизации все средства измерений делят на:

* неавтоматические;

* автоматизированные, производящие в автоматическом режиме одну или часть измерительной операции;

* автоматические, производящие в автоматическом режиме измерения все операции, связанные с обработкой их результатов, регистрацией, передачей данных или выработкой управляющих сигналов.

По отношению к измеряемой физической величине различают следующие средства измерений:

* основные -- средства измерений той физической величины, значение которой надо получить в соответствии с измерительной задачей;

* вспомогательные -- средства измерений той физической величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерения необходимо учесть для получения результатов измерения требуемой точности.

По реализации процедуры измерения средства измерений бывают элементарными и комплексными.

Средства измерений разделяют на меры, устройства сравнения (компараторы), измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы.

Элементарные средства измерений

Элементарные средства измерений предназначены для реализации отдельных операций прямого измерения. К ним относят меры, устройства сравнения и измерительные преобразователи. Каждое из них, взятое по отдельности, не может осуществить операцию измерения.

Мера -- средство измерения, воспроизводящее физическую величину заданного размера (значения). Меры бывают однозначным многозначными.

Однозначная мера воспроизводит физическую величину одного размера.

Многозначная мера воспроизводит ряд одноименных величин различного размера, например, потенциометр, конденсатор переменной емкости.

Кроме этого, различают наборы мер, магазины мер, установочные и встроенные меры.

Набор мер - специально подобранный комплект однотипных элементов, применяемых не только в отдельности, но и в различных сочетаниях для воспроизведения ряда одноименных величин разного размера, например, набор измерительных резисторов, или конденсаторов.

Устройство сравнения (компаратор) -- это средство измерений, позволяющее сравнивать друг с другом меры однородных величин или же показания измерительных приборов. Примером может служить фотореле, включающее (выключающее) уличное электрическое освещение.

Измерительный преобразователь -- средство измерений, вырабатывающее сигнал измерительной информации в форме, удобной для передачи, преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию исследователя.

По виду входных и выходных величин измерительные преобразователи делятся на:

* аналоговые, преобразующие одну аналоговую величину другую аналоговую величину;

* аналого-цифровые (АЦП), предназначенные для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код;

* цифро-аналоговые (ЦАП), предназначенные для преобразования цифрового кода в аналоговую величину.

Комплексные средства измерений предназначены для реализации всей процедуры измерения. К ним относят: измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы.

Измерительный прибор -- средство измерения, предназначенное для выработки определенного вида сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия оператором.

В электротехнике сигналом измерительной информации является электрический сигнал, функционально связанный с измеряемой физической величиной.

Информативным параметром входного электрического сигнала средства измерения служит параметр входного сигнала, функционально связанный с измеряемой физической величиной и используемый для передачи ее значения или являющийся самой измеряемой величиной.

Измерительные приборы классифицируют по ряду признаков:

1. по форме индикации измеряемой величины радиоизмерительные приборы делят на показывающие и регистрирующие, среди которых есть самопишущие и печатающие.

Показывающий измерительный прибор -- устройство, предназначенное только для считывания показаний, например вольтметр, амперметр.

Регистрирующий измерительный прибор -- прибор, в котором предусмотрена регистрация показаний измеряемой величины, например универсальный осциллограф.

Самопишущий измерительный прибор -- регистрирующий прибор, в котором возможна запись показаний в форме диаграммы.

Печатающий измерительный прибор -- регистрирующий измерительный прибор, в котором предусмотрена печать показаний в цифровой форме.

2. по методу преобразования измеряемой величины различают приборы прямого, компенсационного (уравновешивающего) и смешанного преобразования.

3. по назначению измерительные приборы делят на амперметры, вольтметры, омметры, частотомеры и т.д.

4. по структурной схеме можно разделить на электромеханические и электронные. К радиоизмерительным приборам относятся только электронные, в которых в качестве отсчетного узла могут входить электромеханические устройства.

5. по форме преобразования используемых измерительных сигналов приборы делят на аналоговые и цифровые

Аналоговый измерительный прибор -- средство измерения, показания которого являются непрерывной функцией изменения измеряемой величины. Аналоговые приборы делят на четыре основные группы, применяемые для разных измерительных целей.

В первую группу входят приборы для измерения параметров и характеристик сигналов (например, осциллографы, частотомеры и пр.).

Вторую группу образуют приборы для измерения параметров и характеристик активных и пассивных элементов электрических схем. Это измерители сопротивления, емкости, индуктивности, а также приборы для снятия частотных и переходных характеристик цепей.

Третья группа -- измерительные генераторы, являющиеся источниками сигналов различной амплитуды, формы и частоты.

Четвертая группа - элементы измерительных схем -- преобразователи, аттенюаторы, циркуляторы, фазовращатели и т.д.

Цифровым измерительным прибором (ЦИП) называют средство измерения, автоматически вырабатывающее дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме.

Перед аналоговыми приборами ЦИП имеют преимущества:

* удобство и объективность отсчета измеряемых величин;

* высокая точность результатов измерения;

* широкий динамический диапазон;

* высокое быстродействие и возможность автоматизации процесса измерения;

* возможность использования новых достижений цифровой и аналоговой микроэлектроники.

По принципу действия измерительные приборы делят на ряд классов.

Измерительные приборы прямого действия, в которых предусмотрено одно или несколько преобразований сигнала измерительной информации в одном направлении, т.е. без применения цепей обратной связи; например, амперметры, вольтметры.

Измерительные приборы сравнения, предназначенные для непосредственного сравнения измеряемой величины с известной величиной; например, электроизмерительный потенциометр.

Интегрирующие измерительные приборы, в которых исследуемая величина интегрируется по времени или по другой независимой переменной; (электрический счётчик энергии).

Более широкой является классификация средств измерений по конкретным признакам. Одним из основных признаков служит диапазон рабочих частот, в котором данное средство измерений работает или сохраняет нормированные метрологические характеристики.

крайне низких частот (КНЧ) -- 3...30 Гц;

- сверхнизких частот (СНЧ) -- 30...300 ГЦ;

- инфранизких частот (ИНЧ) -- 3 00... 3 000 Гц;

- очень низких частот (ОНЧ) -- 3... 3 0 кГц;

- низких частот (НЧ) -- 30.....300 кГц;

- средних частот (СЧ) -- 300... 3000 кГц;

- высоких частот (ВЧ) -- 3... 30 МГц;

- очень высоких частот (ОВЧ -- 30...300 МГц;

- ультравысоких частот (УВЧ) -- 300...3000 МГц;

- сверхвысоких частот (СВЧ) -- 3...30 ГГц;

- крайне высоких частот (КВЧ) -- 30...300 ГГц;

гипервысоких частот (ГВЧ) -- 300...3000 ГГц.

Измерительные приборы характеризуются показателями:

1. диапазон измерений -- область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности измерительного прибора (средства измерения).

2.предел измерений -- наибольшее или наименьшее значение диапазона измерений.

3. диапазон показаний -- размеченная область шкалы, ограниченная ее начальным и конечным значениями, т.е. указанными на ней наименьшим X_min и наибольшим Х_тах возможными значениями измеряемой величины (он может быть шире диапазона измерений).

4.область рабочих частот (диапазон частот) -- полоса частот, в пределах которой погрешность прибора, полученная при изменении частоты сигнала, не превышает допускаемого предела.

5. градуировочная характеристика -- зависимость, определяющая соотношение между сигналами на выходе и входе средства измерений в статическом режиме.

6. чувствительность по измеряемому параметру -- отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызвавшему его изменению измеряемой величины:

где х -- измеряемая величина; у--сигнал на выходе; Дх -- изменение измеряемой величины; Ду -- изменение сигнала на выходе.

7. разрешающая способность (абсолютная) -- минимальная разность двух значений измеряемых однородных величин, которая может быть различима с помощью прибора.

8. быстродействие (скорость измерения) -- максимальное число измерений в единицу времени, выполняемых с нормированной погрешностью.

9. входное сопротивление (полное) Z_BX -- сопротивление измерительного прибора со стороны входных зажимов.

На низких частотах входную цепь измерительного прибора, включаемого параллельно измеряемой цепи, представляют эквивалентной электрической схемой. Схема состоит, из соединенных параллельно активного резистора R_BX и конденсатора емкостью С_BX.

Чтобы не влиять на измеряемую цепь, приборы должны иметь большое активное входное сопротивление R_BX и малую входную емкость С_ВХ.

В области низких частот, когда емкостное сопротивление Х_С (Х_С = 1/2?f*С_вх) велико по сравнению с активным сопротивлением Х_С » R_BX, практически входное сопротивление измерительного прибора Z_BX = Х_С.

В области высоких частот входное сопротивление прибора определяется в основном активным сопротивлением и Z_BX= R_BX так как R_BX » Х_С

Выходное сопротивление Z_ВЫХ -- сопротивление измерительного прибора со стороны его выходных зажимов. Это сопротивление определяет допустимую нагрузку измерительного прибор при подключении его, например, к компьютеру.

Собственная потребляемая мощность Р_соб, мощность, потребляемая от измеряемой цепи (чем Р_соб меньше, тем точнее из мерения).

Погрешности измерительного прибора -- инструментальные погрешности.

Измерительная установка -- совокупность функционально объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительная система (ИС) -- совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в удобной для автоматической обработки форме, ее передачи и использования в системах управления. Измерительные системы условно делят на информационно-измерительные системы (ИИС), измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) и компьютерно-измерительные системы (КИС).

Информационно-измерительные системы -- совокупность функционально объединенных средств измерений, средств вычислительной техники и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации о физических величинах, свойственных данному объекту, в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления.

Измерительно-вычислительные комплексы представляют собой совокупность средств измерений и компьютеров, объединенных с помощью устройств сопряжения и предназначенных для измерений, научных исследований и расчетов.

Компьютерно-измерительная система (виртуальный прибор) состоит из стандартного или специализированного компьютера со встроенной в него платой (модулем) сбора данных.

1.7 Эталоны единиц электрических величин

Средства измерений, предназначенные для воспроизведения и хранения единиц измерений, поверки и градуировки приборов делятся на эталоны и образцовые средства измерения.

Эталон -- средство измерения (или комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и (или) хранение единицы физической величины с наивысшей точностью для данного уровня развития измерительной техники с целью передачи её размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений. Эталон должен обладать тремя взаимосвязанными свойствами: неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью.

Неизменность -- свойство эталона удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы физической величин в течение длительного интервала времени.

Воспроизводимость -- возможность воспроизведения единицы физической величины с наименьшей погрешностью для существующего уровня развития техники измерений.

Сличаемость -- возможность сличения с эталоном средств измерений, нижестоящих по поверочной схеме, в первую очередь вторичных эталонов, с наивысшей точностью для соответствующего уровня развития техники измерений.

Эталоны классифицируют в зависимости от назначения, назначение предполагает оснащение метрологической службы первичными, специальными, государственными, национальными, международными и вторичными эталонами

Первичный эталон -- эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране точностью. Первичные: эталоны -- уникальные средства измерений, часто представляют, собой сложнейшие измерительные комплексы. Они составляют основу государственной системы обеспечения единства измерений и могут быть специальным, государственным, национальным и международным.

Специальный эталон обеспечивает воспроизведение единицы в особых условиях и заменяет для них первичный эталон.

метрологический электрический измерение прибор

Тема 2. Погрешности и обработка результатов измерений

2.1 Общие сведения

Измерение -- это определение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Измерение можно считать законченным, если найден не только результат измерения, но и проведена оценка его погрешности.

Погрешностью результата измерения называют отклонение найденного значения от действительного значения измеряемой величины. Погрешность измерения является характеристикой (мерой) точности измерения. Погрешность средства измерения представляет собой разность между показаниями средства измерения и действительным значением измеряемой физической величины.

Истинное значение физической величины - абстрактное понятие, использующееся в теории измерений. На практике используют понятие действительное значение физической величины.

Действительное значение физической величины - значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько близкое истинному значению, что для поставленной измерительной задачи может его заменить. При этом за истинное значение принимается среднестатистическое значение, полученное при статистической обработке результатов серии измерений. Это полученное значение не является точным, а лишь наиболее вероятным.

В 2004 году на международном уровне был принят новый документ^[2], диктующий условия проведения измерений и установивший новые правила сличения государственных эталонов. Понятие «погрешность» стало устаревать, вместо него было введено понятие «неопределенность измерений», однако ГОСТ Р 50.2.038-2004^[3] допускает использовать термин погрешность для документов, использующихся в России. Действительное значение измеряемой величины может отличатся от полученного из опыта значения. Это может быть обусловлено несовершенством технологии изготовления прибора, конструктивными недостатками, неправильной градуировкой, влиянием различных внешних факторов.

2.2 Классификация погрешностей

По форме количественного выражения погрешности делятся на абсолютные, относительные и приведенные.

Абсолютная погрешность

Абсолютной погрешностью ?, называют отклонение результата измерения Х_Изм от действительного значения Х_Дейст, выражаемой в единицах измеряемой величины,

? = Х_Изм - Х_Дейст (2.2.1)

Относительная погрешность - Относительная погрешность измерения г определяется в процентах к действительному значению Х_Дейст. Так как отклонение Х_Дейст от Х_Изм сравнительно малы, то

(2.2.2)

Оценить качество прибора по значению абсолютной и относительной погрешностей измерений невозможно, так как Х во время измерения может принимать любые значения от 0 до Х_N, где Х_N - нормирующее значение прибора которое зависит от типа шкалы измерительного прибора и определяется по его градуировке.

Если шкала прибора односторонняя, т.е. нижний предел измерений равен нулю, то нормирующее значение Х_N определяется равным верхнему пределу измерений.

Если шкала прибора двухсторонняя, то нормирующее значение равно арифметической сумме двух верхних значений диапазона (ширине диапазона измерений прибора). Поэтому для оценки качества измерения прибора применяется приведенная погрешность

Приведенная погрешность - выраженная отношением абсолютной погрешности средства измерений к нормирующему значению прибора и вычисляется по формуле:

г = Д/X_N (2.2.3)

Учет всех нормируемых метрологических характеристик средств измерений является сложной и трудоемкой процедурой. На практике такая точность не нужна. Поэтому для средств измерений, используемых в повседневной практике, принято деление на классы точности, которые дают их обобщенную метрологическую характеристику.

Классы точности присваиваются средствам измерений с учетом результатов государственных приемочных испытаний.

Погрешности прямых измерений оценивают на основании класса точности прибора, который указывается на шкале и обозначает выраженную в процентах его основную наибольшую допустимую приведенную погрешность:

(2.2.4)

Где: ?_max -- предельная абсолютная погрешность т.е. погрешность, больше которой в данном измерительном эксперименте не может быть.

Наибольшая возможная относительная погрешность прямого измерения:

(2.2.5)

Подставив в формулу (2.2.5) величину ?_max, которая определяется из формулы (2.2.4), получим: