Контрольные вопросы:

1. Перечислите возможные причины проявления погрешностей.

2. Назовите признаки, по которым классифицируются погрешности.

3. Что называют абсолютной, относительной и приведенной погрешностями?

4. Что такое грубые погрешности (промахи)?

5. Какие характеристики погрешностей вам известны?

6. Сформулируйте свойства систематической, случайной и прогрессирующей составляющих погрешности измерений.

7. Приведите известные вам примеры методических погрешностей.

8. Назовите методы уменьшения систематических погрешностей?

9. Когда погрешность измерения может рассматриваться как случайная величина?

10. Назовите основные законы распределений случайных погрешностей.

11. Как описывается и когда используется распределение Стьюдента?

12. Что называют доверительной вероятностью и доверительным интервалом?

13. Назовите правила округления результатов измерений.

14. Перечислите алгоритмы обработки результатов прямых многократных измерений.

15. Расскажите о критерии «трех сигм».

Раздел 2 Измерение тока, напряжения, мощности

Тема 2.1

Измерение постоянного тока и напряжения электромеханическими измерительными приборами

Напряжение и силу тока измеряют приборами непосредственной оценки или приборами, использующими метод сравнения (компенсаторы). По структурному построению приборы, измеряющие напряжение и силу тока, условно можно разделить на три основных типа:

• электромеханические;

• электронные аналоговые;

• цифровые.

2.1.1 Электромеханические приборы

По физическому принципу действия, положенному в основу построения и конструктивному исполнению, электромеханические приборы относят к группе аналоговых средств измерения, показания которых являются непрерывной функцией измеряемой величины.

Электромеханические приборы непосредственной оценки измеряемой физической величины представляют класс приборов аналогового типа, обладающих рядом положительных свойств: просты по устройству и в эксплуатации, обладают высокой надежностью и на переменном токе реагируют на среднее квадратическое значение напряжения. Последнее обстоятельство позволяет производить измерение наиболее информативного параметра сигнала без методических ошибок. Электромеханические приборы строят по обобщенной структурной схеме, представленной на рис. 2.1.

Рисунок 2.1 Структурная схема электромеханического прибора

Измерительная схема электромеханического прибора содержит совокупность сопротивлений, индуктивностей, емкостей и других элементов электрической цепи прибора и осуществляет количественное или качественное преобразование входной величины х в электрическую величину Х, на которую реагирует измерительный механизм. Механизм преобразует электрическую величину Х в механическое угловое или линейное перемещение α, значение которого отражается на шкале отсчетного устройства прибора, проградуированной в единицах измеряемой величины N(х). Для этого необходимо чтобы каждому значению измеряемой величины соответствовало одно и только одно, определенное отклонение α. При этом параметры схемы и измерительного механизма не должны меняться при изменении внешних условий; температуры окружающей среды, частоты питающей сети и других факторов.

Классификацию электромеханических приборов проводят на основании типа измерительного механизма. Наиболее распространены в практике радиотехнических измерений следующие системы: магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая, электростатическая.

Данные измерительные системы представлены в табл. 2.1, где приведены также формулы передаточной функции (уравнения шкалы) измерительного механизма и ряд его технических характеристик. В добавление помещенным в табл. 2.1 сведениям и рисункам сделаем следующие пояснения.

Магнитоэлектрическая система. В данной системе измерительный механизм состоит из проволочной рамки с протекающим в ней током, помещенной в поле постоянного магнита (магнитопровода). Поле в зазоре, где находится рамка, сделано равномерным за счет особой конфигурации магнитопровода. Под воздействием протекающего тока I рамка вращается в магнитном поле, угол поворота α ограничивают специальной пружиной, поэтому передаточная функция (часто называемая уравнением шкалы) линейна:

, (2.1)

где - удельное потокосцепление, определяемое параметрами рамки и магнитной индукцией; W - удельный противодействующий момент, создаваемый специальной пружинкой.

Для расширения пределов измерения амперметров и вольтметров применяют шунты и добавочные сопротивления, которые включают соответственно параллельно и последовательно измерительным механизмам в схемы этих приборов.

Гальванометры. Особую группу измерителей силы тока представляют высокочувствительные магнитоэлектрические приборы - нуль - индикаторы, называемые гальванометрами.

Задача гальванометров показать наличие или отсутствие тока в цепи, поэтому они работают в начальной точке шкалы и должны обладать большой чувствительностью.

Гальванометры снабжают только условной шкалой. Поскольку чувствительность гальванометров очень высока, их градуировочная характеристика нестабильна и зависит от совокупности внешних влияющих факторов.

Поэтому при выпуске на производстве чувствительные гальванометры не градуируют в единицах измеряемой физической величины и им не присваивают классы точности (не нормируют по классам точности).

В качестве же метрологических характеристик гальванометров обычно указывают их чувствительность к току или напряжению и сопротивление рамки. Чувствительность гальванометров выражается в миллиметрах или делениях шкалы (например, S_i = 10⁹ мм/А). Такая высокая чувствительность достигается за счет особой конструкции прибора.

Современные гальванометры позволяют измерять токи 10^-5.напряжения до 10^-4В.

Таблица 2.1 Электромеханические приборы

Электромагнитная система. Принцип действия этой системы основан на взаимодействии катушки с ферромагнитным сердечником. Ферромагнитный сердечник втягивается в катушку при любой полярности тока. Это обусловлено тем, что ферромагнетик располагается в магнитном поле так, чтобы поле усилилось.

Следовательно, прибор электромагнитной системы может работать на переменном токе. Однако он является низкочастотным, так как с ростом частоты сильно возрастает индуктивное сопротивление катушки.

Достоинствами приборов электромагнитной системы являются простота конструкции, способность выдерживать значительные перегрузки, возможность градуировки приборов, предназначенных для измерений в цепях переменного тока и на постоянном токе.

Недостатки приборов - большое потребление энергии, невысокая точность, малая чувствительность и сильное влияние магнитных полей. Приборы электромагнитной системы применяют в основном в качестве щитовых амперметров и вольтметров переменного тока промышленной частоты. Класс точности щитовых приборов составляет 1,5 и 2,3.

Электродинамическая система - измерительный механизм содержит две измерительные катушки: неподвижную и подвижную. Принцип действия основан на взаимодействии катушек, электромагнитные поля которых взаимодействуют в соответствии с формулой:

_, (2.2)

где М_вр - вращающий момент; I₁ - ток через неподвижную катушку; I₂ - ток через подвижную катушку; θ - фазовый сдвиг между синусоидальными токами; М - коэффициент взаимной индуктивности катушек.

На основе электродинамического механизма в зависимости от схемы соединения обмоток выполняют вольтметры, амперметры, ваттметры.

Достоинством электродинамических вольтметров и амперметров является высокая точность на переменном токе.

Предел основной приведенной погрешности может составлять 0,1...0,2 %, что является наилучшим достижимым показателем для измерительных приборов переменного тока. Электродинамические приборы используют как образцовые лабораторные измерительные приборы.

Электростатические приборы - принцип действия электростатического механизма основан на взаимодействии электрически заряженных проводников.

Подвижная алюминиевая пластина, закрепленная вместе с указателем, перемещается, взаимодействуя с неподвижной пластиной. Движение ограничивает пружинка.

Электростатические приборы по принципу действия механизма являются вольтметрами. Достоинства этих приборов: широкий частотный диапазон (до 30 МГц) и малая мощность, потребляемая из измерительной цепи. Приборы измеряют среднее квадратическое значение напряжения.