Sb94859

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

–––––––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

–––––––––––––––––––––––––––––––––––

Е. М. АНТОНЮК С. В. ВИНОГРАДОВ М. Т. РЗИЕВА

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

Учебное пособие

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2017

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров «Управление качеством» и «Инноватика» и является продолжением курса учебной дисциплины «Метрология и сертификация».

Первый раздел содержит определения и классификацию методов и средств измерений.

Второй раздел учебного пособия посвящен методам и средствам измерений электрических величин.

В третьем разделе рассматриваются методы и средства измерений неэлектрических величин, которые преобразуются измерительными преобразователями в электрический сигнал. Такое преобразование объясняется следующими причинами:

1.С помощью электрических сигналов возможно осуществление дистанционных измерений, что позволяет обеспечивать одновременные измерения различных по своей природе физических величин, контролируемых нередко в территориально удаленных друг от друга и недоступных для наблюдения точках пространства. В ряде случаев дистанционность, т. е. измерения на значительном расстоянии, может являться непременным условием самих измерений, например на объектах ядерной энергетики.

2.Преобразование различных величин, как электрических, так и неэлектрических, в унифицированный электрический сигнал позволяет использовать одни и те же средства измерения для измерения множества величин, в частности, в измерительных информационных системах.

3.Электрические сигналы, в которые преобразуются различные измеряемые физические величины, оказываются более удобными для комплексного решения задач автоматического управления и регулирования различных объектов, а также автоматизации самих измерений, что в значительной степени уменьшает субъективные погрешности, вызываемые личностными особенностями человека-оператора.

4.Преобразование различных величин в электрические сигналы позволяет существенно расширить динамический и частотный диапазоны измеряемых величин, т. е. позволяет измерять величины как очень большие, так и очень малые, как медленно меняющиеся, так и быстро меняющиеся.

3

Ограниченный объем учебного пособия не позволяет рассмотреть все возможные методы и средства измерений. Например, в настоящее учебное пособие не входят методы и средства измерений магнитных величин.

1.ОПРЕДЕЛЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ

ИСРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

1.1.Определения и классификация методов измерений

Прежде чем рассматривать методы и средства измерений, напомним определение понятия измерений. Согласно рекомендациям по межгосударственной стандартизации РМГ 29–99 [1] «Измерение – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины».

Результат измерений всегда получают в процессе взаимодействия средства измерений с объектом измерения. Это взаимодействие основано на определенных физических явлениях, совокупность которых составляет принцип измерений, а приемы использования принципа и средств измерений называют методом измерений.

В основе классификации методов измерения лежит способ применения меры при получении значения измеряемой величины. Выделяют два основных метода: непосредственной оценки и сравнения с мерой. Последний, в свою очередь, подразделяется на нулевой, дифференциальный методы, а также метод замещения.

Метод непосредственной оценки – метод измерения, при использовании которого мера непосредственно в измерительной процедуре не участвует. Результат измерения в этом случае определяется непосредственно по отсчетному устройству средства измерения. Использование меры в получении результата происходит опосредованно через процедуру градуировки шкалы средства измерения на этапе его производства.

Метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Нулевой метод измерений – метод сравнения с мерой, при котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой, на прибор сравнения доводят до нуля. Устройство,

4

с помощью которого определяется равенство нулю указанного воздействия, называется нуль-индикатором.

На рис. 1.1 приведена схема, поясняющая использование нулевого метода, где Ux – измеряемая величина; U0 – мера; НИ – нуль-индикатор.

Дифференциальный метод измерений – метод сравнения с мерой, при котором разность между значениями измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой, измеряется с помощью средства измерения. Результат определяется как сумма показаний средства измерений и значения физической величины, воспроизводимой мерой. Наибольшую точность данный метод позволяет получить при незначительном отличии между измеряемой величиной и известным значением, воспроизводимым мерой. На рис. 1.2 представлена обобщенная схема, построенная на основе дифференциального метода. V – вольтметр, измеряющий разность ∆U между

разности сравнительно невысокой точности [2].

Метод замещения – метод сравнения с мерой, при котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. С помощью средства измерения производится поочередное измерение искомой величины и величины, воспроизводимой мерой. Результат определяется по этим двум значениям. На рис. 1.3 приведена обобщенная схема измерения значения сопротивления резистора Rx на основе метода замещения. На первом этапе измеряется ток Ix через резистор Rx. На втором – ток I0 через

5

устанавливается равным Ix, и Rx оказывается равным R0.

1.2. Определения и классификация средств измерений

Средством измерения (СИ) называют техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени [1].

По роли, выполняемой в системе обеспечения единства измерений, выделяют метрологические и рабочие средства измерений [2].

Метрологические СИ предназначены для воспроизведения физических величин заданного размера, хранения и передачи их рабочим средствам.

Рабочие СИ предназначены для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измерений. Рабочие средства измерений составляют основной парк СИ и широко используются в научных экспериментах, технических испытаниях и т. п.

В зависимости от функционального назначения рабочие средства измерений делятся на меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи и измерительные системы.

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Измерительные приборы имеют свою довольно разветвленную классификационную структуру. Так, по виду измеряемой величины измерительные приборы – амперметры, вольтметры, частотомеры и др.; по виду выходного сигнала – аналоговые и цифровые; по форме представления

6

выходного сигнала – показывающие и регистрирующие; по конструктивным признакам – стационарные и переносные [2].

Измерительный преобразователь – средство измерений с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации и передачи, не подлежащий непосредственному восприятию наблюдателем. По характеру преобразования различают аналоговые, цифроаналоговые, аналого-цифровые преобразователи. По месту

визмерительной цепи различают первичные и промежуточные преобразователи. Выделяют также масштабные и передающие преобразователи. Все измерительные преобразователи подразделяются на два больших подвида: измерительные преобразователи электрических величин в электрические и измерительные преобразователи неэлектрических величин в электрические.

Измерительная система – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта для измерения одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в различных целях. Такие системы применяются на крупных электростанциях, на борту самолетов и кораблей и других сложных объектах, где требуется измерение большого количества параметров, регистрация этих параметров и представление их в удобной для операторов форме.

Когда проводится допусковый контроль параметров крупных объектов,

вчастности, тех же электростанций, такие системы называют системами автоматического контроля. В этих системах для параметров устанавливается некоторый уровень (допуск), превышение которого вызывает соответствующую сигнализацию, регистрацию параметров и представление значений параметров оператору.

Измерительные системы, в которых источники информации достаточно далеко удалены от приемников и для передачи информации используются те или иные линии связи, называются телеизмерительными системами.

7

2. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

2.1. Измерение силы тока и напряжения

Общие сведения. Токи и напряжения являются наиболее распространенными электрическими величинами, которые приходится измерять. Этим объясняется широкая номенклатура выпускаемых промышленностью средств измерений токов и напряжений. Выбор средства измерений может определяться совокупностью факторов: предполагаемым размером измеряемой величины, родом тока (постоянный и переменный), частотой, требуемой точностью измерения, условиями проведения эксперимента, влиянием внешних условий.

Определение значений напряжений осуществляют, как правило, прямыми измерениями; в случае токов кроме прямых измерений широко используют косвенные измерения, при которых измеряется падение напряжения U на резисторе с известным сопротивлением R, включенном в цепь измеряемого тока Ix. Значение тока находят по закону Ома: Ix = U/R. В этом случае погрешность результата измерения Ix определяется погрешностью измерения напряжения U и погрешностью R , обусловленной отличием номинального значения сопротивления R от истинного значения сопротивления Rи [2].

Измерения токов и напряжений всегда сопровождаются погрешностью, обусловленной сопротивлением используемого средства измерений. Включение в исследуемую цепь средства измерений искажает режим этой цепи. Так, например, включение амперметра, имеющего сопротивление RA, в цепь, изображенную на рис. 2.1, приведет к тому, что вместо тока I U R ,

Аналогичная погрешность возникает при измерении напряжений. Например, в цепи, представленной на рис. 2.2, при включении вольтметра, имеющего сопротивление RV, для измерения напряжения между точками а и b режим цепи тоже нарушается, так как

8

Погрешность U Uab1 Uab тем больше, чем меньше сопротивление вольтметра.

Косвенным показателем сопротивления средств измерений является мощность, потребляемая средством из цепи, в которой производится измерение. При протекании тока I через амперметр с сопротивлением RA

напряжение, измеряемое вольтметром; RV – внутреннее сопротивление вольтметра. Следовательно, погрешность от искажения режима цепи при измерении токов и напряжений тем меньше, чем меньше мощность, потребляемая средством измерений из цепи, где производится измерение.

Из средств измерений, используемых для измерений токов и напряжений, наименьшим потреблением мощности из цепи измерений обладают компенсаторы, электронные и цифровые приборы. Среди электромеханических приборов наименьшую мощность потребляют магнитоэлектрические и электростатические приборы. Весьма малая мощность, потребляемая из цепи измерений компенсаторами, позволяет измерять ими не только напряжения, но и ЭДС.

Диапазон измеряемых токов и напряжений весьма широк. Например, при биологических исследованиях, космических исследованиях, измерениях в вакууме необходимо измерять постоянные токи, составляющие доли фемтоампер (10–15 А), а в мощных энергетических установках, на предприятиях цветной металлургии, химической промышленности – токи, достигающие сотен килоампер. Для измерений токов и напряжений в таком широком диапазоне выпускаются различные средства измерений, обеспечивающие возможность измерений в определенных поддиапазонах.

Средства измерений токов и напряжений делают, как правило, многопредельными. Для расширения пределов измерений тока применяют шунты и измерительные трансформаторы постоянного или переменного тока.

9

Для расширения пределов измерений напряжения используют делители напряжения, добавочные резисторы и измерительные трансформаторы напряжения.

Измерения постоянных токов и напряжений. Наивысшая точность измерений постоянных токов и напряжений определяется точностью государственных первичных эталонов единицы силы постоянного электрического тока и единицы электродвижущей силы. Государственные первичные эталоны обеспечивают воспроизведение соответствующей единицы со средним квадратическим отклонением результата измерений ( S0 ), не превышающим 4 10–6 для силы постоянного тока и 5 10–8 для ЭДС, при неисключенной систематической погрешности ( 0 ), не превышающей, соответственно, 8 10–6 и 1 10–6.

Среди рабочих средств измерений постоянных токов и напряжений наименьшую погрешность измерений дают компенсаторы постоянного тока. Например, известны компенсаторы класса точности 0,0005, позволяющие измерять постоянные ЭДС и напряжения в диапазоне от 10 нВ до 2,1211111 В. Постоянные токи измеряют с помощью компенсаторов косвенно, с использованием катушек электрического сопротивления. При использовании катушек электрического сопротивления класса точности 0,002 и компенсаторов, описанных выше, можно измерять токи с погрешностью не более ±0,0025 %.

Наиболее распространенными средствами измерений постоянных токов и напряжений являются амперметры (микро-, милли-, килоамперметры) и вольтметры (микро-, милли-, киловольтметры), а также комбинированные приборы (например, микровольтнаноамперметры, нановольтамперметры и т. п.).

Для измерений весьма малых постоянных токов и напряжений применяют электрометры и фотогальванометрические приборы. В качестве примера можно указать цифровые универсальные микровольтметры – электрометры с диапазоном измерений постоянного тока 10–17…10–13 А. Примером фотогальванометрических приборов является нановольтамперметр, имеющий наименьший диапазон измерений постоянных токов 0,5 нА и постоянных напряжений 50 нВ. При измерении малых и средних значений постоянных токов и напряжений наибольшее распространение получили цифровые и магнитоэлектрические приборы.

10