Потребности науки и техники включают в себя проведение множества измерений, средства и методы которых постоянно развиваются и совершенствуются. Важнейшая роль в этой области принадлежит измерениям электрических величин, находящим широчайшее применение в самых различных отраслях.
Измерение любой физической величины производится путем сравнения ее с некоторой величиной того же рода явлений, принятой в качестве единицы измерения. Результат, полученный при сравнении, представляется в численном виде в соответствующих единицах.
Эта операция осуществляется с помощью специальных средств измерения - технических приспособлений, взаимодействующих с объектом, те или иные параметры которого требуется измерить. При этом используются определенные методы - приемы, посредством которых проводится сравнение измеряемой величины с единицей измерения.
Существует несколько признаков, служащих основой для классификации измерений электрических величин по видам:
Приспособления, предназначенные для измерения, должны обладать нормированными характеристиками, а также сохранять на протяжении определенного времени либо воспроизводить единицу той величины, для измерения которой они предназначены.
Средства измерения электрических величин подразделяются на несколько категорий в зависимости от назначения:
При необходимости решения какой-либо конкретной сложной измерительной задачи формируют измерительно-вычислительные комплексы, объединяющие ряд устройств и электронно-вычислительную аппаратуру.
Устройства измерительной аппаратуры обладают определенными свойствами, важными для выполнения их непосредственных функций. К ним относятся:
Совокупность характеристик аппаратуры устанавливается соответствующими нормативно-техническими документами для каждого типа устройств.
Измерение электрических величин производится посредством различных методов, которые также можно классифицировать по следующим критериям:
Измерение основных электрических величин требует большого разнообразия приборов. В зависимости от физического принципа, положенного в основу их работы, все они делятся на следующие группы:
По функциональным особенностям различают следующие виды приборов для измерения электрических величин:
По типу сигнала приборы делятся на аналоговые и цифровые. Если устройство вырабатывает сигнал, представляющий собой непрерывную функцию измеряемой величины, оно является аналоговым, например, вольтметр, показания которого выдаются при помощи шкалы со стрелкой. В том случае, если в устройстве автоматически вырабатывается сигнал в виде потока дискретных значений, поступающий на дисплей в численной форме, говорят о цифровом измерительном средстве.
Цифровые приборы имеют некоторые недостатки по сравнению с аналоговыми: меньшая надежность, потребность в источнике питания, более высокая стоимость. Однако их отличают и существенные преимущества, в целом делающие применение цифровых устройств более предпочтительным: удобство эксплуатации, высокая точность и помехоустойчивость, возможность универсализации, сочетания с ЭВМ и дистанционной передачи сигнала без потери точности.
Важнейшая характеристика электроизмерительного прибора - класс электрических величин, как и любых других, не может производиться без учета погрешностей технического устройства, а также дополнительных факторов (коэффициентов), влияющих на точность измерения. Предельные значения приведенных погрешностей, допускаемые для данного типа прибора, называются нормированными и выражаются в процентах. Они и определяют класс точности конкретного прибора.
Стандартные классы, которыми принято маркировать шкалы измерительных устройств, следующие: 4,0; 2,5; 1,5; 1,0; 0,5; 0,2; 0,1; 0,05. В соответствии с ними установлено разделение по назначению: приборы, принадлежащие к классам от 0,05 до 0,2, относятся к образцовым, классами 0,5 и 1,0 обладают лабораторные приборы, и, наконец, устройства классов 1,5-4,0 являются техническими.
При выборе измерительного прибора необходимо, чтобы он соответствовал по классу решаемой задаче, при этом верхний предел измерения должен быть как можно ближе к численному значению искомой величины. То есть чем большего отклонения стрелки прибора удается достичь, тем меньше будет относительная погрешность проводимого измерения. Если в распоряжении имеются только приборы низкого класса, выбирать следует такой, который обладает наименьшим рабочим диапазоном. Используя данные способы, измерения электрических величин можно провести достаточно точно. При этом также нужно учитывать тип шкалы прибора (равномерная или неравномерная, как, например, шкалы омметров).
Чаще всего электрические измерения связаны со следующим набором величин:
Магнетизм теснейшим образом связан с электричеством, поскольку и то, и другое представляют собой проявления единого фундаментального физического процесса - электромагнетизма. Поэтому столь же тесная связь свойственна методам и средствам измерения электрических и магнитных величин. Но есть и нюансы. Как правило, при определении последних практически проводится электрическое измерение. Магнитную величину получают косвенным путем из функционального соотношения, связывающего ее с электрической.
Эталонными величинами в данной области измерений служат магнитная индукция, напряженность поля и магнитный поток. Они могут быть преобразованы с помощью измерительной катушки прибора в ЭДС, которая и измеряется, после чего производится вычисление искомых величин.
Измерение электрических и магнитных величин, состоящих в непосредственной взаимосвязи, позволяет решать многие научные и технические задачи, например, исследование атомного ядра и магнитного поля Солнца, Земли и планет, изучение магнитных свойств различных материалов, контроль качества и прочие.
Удобство электрических методов дает возможность успешно распространять их и на измерения всевозможных физических величин неэлектрического характера, таких как температура, размеры (линейные и угловые), деформация и многие другие, а также исследовать химические процессы и состав веществ.
Приборы для электрического измерения неэлектрических величин обычно представляют собой комплекс из датчика - преобразователя в какой-либо параметр цепи (напряжение, сопротивление) и электроизмерительного устройства. Существует множество типов преобразователей, благодаря которым можно измерять самые разные величины. Вот лишь несколько их примеров:
Большое многообразие средств измерения электрических величин обусловлено множеством различных явлений, в которых эти параметры играют существенную роль. Электрические процессы и явления имеют чрезвычайно широкий диапазон использования во всех отраслях - нельзя указать такую область человеческой деятельности, где они не находили бы применения. Этим и определяется все более расширяющийся круг задач электрических измерений физических величин. Непрерывно растет разнообразие и совершенствование средств и методов решения этих задач. Особенно быстро и успешно развивается такое направление измерительной техники, как измерение неэлектрических величин электрическими методами.
Современная электроизмерительная техника развивается в направлении повышения точности, помехоустойчивости и быстродействия, а также все большей автоматизации измерительного процесса и обработки его результатов. Средства измерений прошли путь от простейших электромеханических приспособлений до электронных и цифровых приборов, и далее до новейших измерительно-вычислительных комплексов с использованием микропроцессорной техники. При этом повышение роли программной составляющей измерительных устройств является, очевидно, основной тенденцией развития.
Введение
Развитие науки и техники всегда было тесно связано с прогрессом в области измерений. Большое значение измерений для науки подчёркивали некоторые учёные.
Г. Галилей: «Измеряй всё доступное измерению и делай доступное всё недоступное ему».
Д.И. Менделеев: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять, точная наука немыслима без меры».
Кельвин: «Каждая вещь известна лишь в той степени, в какой её можно измерить».
Измерения являются одним из основных способов познания природы, её явлений и законов. Каждому, новому открытию в области естественных и технических наук предшествует большое число различных измерений. (Г. Ом – закон Ома; П. Лебедев – давление света).
Важную роль играют измерения в создании новых машин, сооружений, повышении качества продукции. Например, во время испытания стендового крупнейшего в мире турбогенератора 1200 МВт, созданного на Ленинградском объединении «Электросила», измерения производились в 1500 различных его точках.
Особо важную роль играют электрические измерения как электрических так и не электрических величин.
Первый в мире электроизмерительный прибор «указатель электрической силы» был создан в 1745 году, академиком Г.В. Рохманом, соратником М.В. Ломоносова.
Это был электрометр – прибор для измерения разности потенциалов. Однако только со второй половины XIX века в связи с созданием генераторов электрической энергии остро встал вопрос о разработке различных электроизмерительных приборов.
Вторая половина XIX века, начало XX века, – русский электротехник М.О. Доливо-добровольский разработал амперметр и вольтметр, электромагнитный системы; индукционный измерительный механизм; основы ферродинамических приборов.
Тогда же – русский физик А.Г. Столетов – закон изменения магнитной проницаемости, её измерение.
Тогда же – академик Б.С. Якоби – приборы для измерения сопротивления электрической цепи.
Тогда же – Д.И. Менделеев – точная теория весов, введение в России метрической системы мер, организация отделения по проверке электроизмерительных приборов.
1927 год – Ленинград построен первый отечественный приборостроительный завод «Электроприбор» (сейчас – Вибратор выпуск счётчиков).
30 годы – построены приборостроительные заводы в Харькове, Ленинграде, Москве, Киеве и в других городах.
С 1948 по 1967 год объём продукции приборостроения возрос в 200 раз.
В последующих пятилетках развитие приборостроения идёт неизменно опережающими темпами.
Основные достижения:
– Аналоговые приборы непосредственной оценки улучшенных свойств;
– Узко профильные аналоговые сигнализирующие контрольные приборы;
– Прецизионные полуавтоматические конденсаторы, мосты, делители напряжения, другие установки;
– Цифровые измерительные приборы;
– Применение микропроцессоров;
– Измерительный компьютер.
Современное производство немыслимо без современных средств измерений. Электроизмерительная техника постоянно совершенствуется.
В приборостроении широко используется достижения радиоэлектроники, вычислительной техники, и другие достижения науки и техники. Всё чаще применяют микропроцессоры и микро ЭВМ.
Изучение курса «Электрических измерений» ставит цель:
– Изучение устройства и принцип действия электроизмерительных приборов;
– Классификация измерительных приборов, знакомство с условными обозначениями на шкалах приборов;
– Основные методики измерений, подбор тех или иных измерительных приборов в зависимости от измеряемой величины и требования к измерению;
– Ознакомление с основными направлениями современного приборостроения.
1 . Основные понятия, методы измерений и погрешностей
Измерением называется нахождение значений физической величины опытным путём с помощью специальных технических средств.
Измерения должны выполняться в общепринятых единицах.
Средствами электрических измерений называются технические средства, использующиеся при электрических измерениях.
Различают следующие виды средств электрических измерений:
– Электроизмерительные приборы;
– Измерительные преобразователи;
– Электроизмерительные установки;
– Измерительные информационные системы.
Мерой называется средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера.
Электроизмерительным прибором называется средство электрических измерений, предназначенное для выработки сигналов измерительной информации в форме доступной непосредственного восприятия наблюдателя.
Измерительным преобразователем называется средство электрических измерений, предназначенное для выработки сигналов измерительной информации в форме удобной для передачи, дальнейшего преобразования, хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию.
Электроизмерительная установка состоит из ряда средств измерений и вспомогательных устройств. С её помощью можно производить более точные и сложные измерения, поверку и градуировку приборов и т.д.
Измерительные информационные системы представляют собой совокупность средств измерений и вспомогательных устройств. Предназначены для автоматического получения измерительной информации от ряда её источников, для её передачи и обработки.
Классификация измерений :
а). В зависимости от способа получения результата прямые и косвенные :
Прямыми называются измерения, результат которых получается непосредственно из опытных данных (измерение тока амперметром).
Косвенные называются измерения, при которых искомая величина непосредственно не измеряется, а находится в результате расчёта по известным формулам. Например: P=U·I, где U и I измерены приборами.
б). В зависимости от совокупности приёмов использования принципов и средств измерений все методы делятся на методы непосредственной оценки и методы сравнения .
Метод непосредственной оценки – измеряемая величина определяется непосредственно по отсчётному устройству измерительного прибора прямого действия (измерение тока амперметром). Этот метод прост, но отличается низкой точностью.
Метод сравнения – измеряемая величина сравнивается с известной (например: измерение сопротивления путём сравнения его с мерой сопротивления – образцовой катушкой сопротивления). Метод сравнения подразделяют на нулевой, дифференциальный и замещения .
Нулевой – измеряемая и известная величина одновременно воздействуют на прибор сравнения, доводя его показания до нуля (например: измерение электрического сопротивления уравновешенным мостом).
Дифференциальный – прибор сравнения измеряет разность между измеряемой и известной величиной.
Метод замещения – измеряемая величина заменяется в измерительной установке известной величиной.
Этот метод наиболее точен.
Погрешности измерений
Результаты измерения физической величины дают лишь приближённое её значение вследствие целого ряда причин. Отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины называется погрешностью измерения.
Различают абсолютную и относительную погрешность.
Абсолютная погрешность измерения равна разности между результатом измерения Аи и истинным значением измеряемой величины А:
Поправка: дА=А–Аи
Таким образом, Истинное значение величины равно: А=Аи+дА.
О погрешности можно узнать, сравнивая показания прибора с показаниями образцового прибора.
Относительная погрешность измерения г А представляет собой отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины, выраженное в %:
%Пример: Прибор показывает U=9,7 В. Действительное значение U=10 В определить ДU и г U:
ДU=9,7–10=–0,3 В г U =
%=3%.Погрешности измерений имеют систематическую и случайную составляющие. Первые остаются постоянными при повторных измерениях, они определяются, и влияние её на результат измерения устраняется введением поправки . Вторые изменяются случайным образом, и их нельзя определить или устранить .
В практике электроизмерений чаще всего пользуются понятием приведённой погрешности г п:
Это отношение абсолютной погрешности к номинальному значению измеряемой величины или к последней цифре по шкале прибора:
%Пример: ДU=0,3 В. Вольтметр рассчитан на 100 В. г п =?
г п =0,3/100·100%=0,3%
Погрешности в измерениях могут быть в следствии :
а). Неправильной установки прибора (горизонтальная, вместо вертикальной);
б). Неправильного учёта среды (внешней влажности, tє).
в). Влияние внешних электромагнитных полей.
г). Неточный отсчёт показаний и т.д.
При изготовлении электроизмерительных приборов применены те или иные технические средства, обеспечивающие тот или иной уровень точности.
Погрешность, обусловленная качеством изготовления прибора, называется – основной погрешностью .
В соответствии с качеством изготовления все приборы подразделяются на классы точности : 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.
Класс точности указывается на шкалах измерительных приборов. Он обозначает Основную наибольшую допустимую приведённую погрешность прибора:
%.Исходя из класса точности при поверке прибора, определяют, пригоден ли он к дальнейшей эксплуатации, т.е. соответствует ли своему классу точности.
Электроизмерительные приборы предназначены для измерения параметров, характеризующих: 1) процессы в электрических системах: токов, напряжений, мощностей, электрической энергии, частот, сдвигов фаз. Для этого используются амперметры, вольтметры, ваттметры, частотомеры, фазомеры; счетчики электрической...