книги из ГПНТБ / Савенко, В. Г. Измерительная техника учеб. пособие

С о в о к у п н ы м и называют измерения, в которых искомый результат выводится из результатов несколь­ ких групп прямых или косвенных измерений от­ дельных величин, функциональная связь измеряемой величины с которыми выражается в виде неявных функций.

Кроме того, измерения делятся на: с т а т и ч е с к и е — измеряются постоянные или установившиеся значения; ди ­

наблюдается значение измеряемой величины, и д и с к р е т - н ы е, когда результаты измерений фиксируются только в некоторые заданные моменты времени.

При создании радиоаппаратуры производят измерения самых разнообразных физических величин, используя ме­ ханические, оптические и электрические измерения, а во многих случаях применяя их в совокупности. Особенно ши­ роко распространены электрические измерения, с по­ мощью которых определяют электрические и многие не­ электрические величины. Они позволяют производить из­ мерения дистанционно, централизованно и одновременно большого числа величин различных по своей природе. До­ стоинства электрических измерений: малая инерционность измерительной аппаратуры, возможность выполнения из­ мерений в широком диапазоне частот, удобство осуществ­ ления комплексного решения задач автоматического уп­ равления и регулирования; широкие возможности для ав­ томатического проведения математических операций над результатами измерений.

§ 1.2. ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ. МЕРЫ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

щими математическую зависимость единицы от других единиц. Кроме того, используются дольные и кратные единицы равные части или целому числу независи­ мых или производных единиц (см. приложение 1). Примеры образования кратных и дольных единиц: 1 пФ

10

Системой единиц называется совокупность единиц из­ мерений, охватывающих некоторую область измерений фи­ зических величин (электрические, магнитные, акустические, механические и др.). Основные единицы в этой систе­ ме устанавливаются произвольно, а производные в со­ ответствии с уравнениями связи и основными едини­ цами.

В СССР установлен стандарт на единицы физических величин [1], в основу которого положены единицы Меж­ дународной системы (СИ). Это — универсальная система, охватывающая все области измерений и устанавливающая связь между механическими, тепловыми, электрическими и другими величинами. Основными единицами СИ явля­ ются— метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина и кандела. В эту систему кроме основных и производных единиц в качестве дополнительных включены единицы уг­ лов: плоского — радиан и телесного — стерадиан. Техниче­ ской базой для применения единиц измерения служат ме­ ры, которые имеют следующую градацию: эталоны, образ­ цовые и рабочие меры. Основные государственные этало­ ны, воспроизводящие единицы измерения, хранятся во Все­ союзном научно-исследовательском институте метрологии им. Д. И. Менделеева (ВНИИМ) в Ленинграде. Они явля­ ются основой для передачи значения единицы измерения к образцовым, а затем к рабочим мерам, которыми поль­ зуются повсеместно для производства измерений. Точность, сроки и условия поверки мер (и измерительных приборов), правила пользования ими и предъявляемые к ним техни­ ческие требования определяются правилами и инструкция­ ми, утвержденными Государственным Комитетом стандар­ тов, мер и измерительных приборов.

В процессе производства радиоаппаратуры приходится сталкиваться почти со всеми основными, дополнительными и важнейшими производными единицами СИ. При этом наиболее часто используются меры длины, массы, време­ ни, частоты, плоских углов, э.д. с. электрического сопро­ тивления, индуктивности, емкости и т. д.

Меры длины. В соответствии с СИ основной единицей для измерения линейных размеров принят метр, который воспроизводится на эталонной установке в длинах свето­ вых волн [2]. Передача единицы длины от эталона — об­ разцовым, а от них — рабочим мерам осуществляется в co­

lt

ответствии с поверочной схемой в специальных метрологи­

По конструктивным признакам меры длины делятся на штриховые (размер определяется расстоянием между штри­

только два штриха по концам, и многомерные со штриха­ ми по всей ее длине. В многомерных мерах штрихи нано­ сятся обычно через сантиметр или миллиметр, а иногда с мелким подразделением — через 0,1 мм и 0,01 мм, или крупным — 1 дм. По виду штриховые меры подразделяются на брусковые и ленточные. Брусковые штриховые меры (ГОСТ 12069—66) применяются для непосредственного из­ мерения линейных размеров или расстояний, в качестве шкал приборов и станков, а также как образцовые меры длины при поверке рабочих мер длины, приборов для ли­ нейных измерений и поверки станков. В качестве материа­ лов для изготовления брусковых штриховых мер применя­ ют инвар, инварстабиль, латунь, сталь и оптическое стекло. Наиболее точные штриховые меры (эталоны, образцовые меры первого разряда) обычно изготавливаются X- и Н- обратного поперечного сечения. Шкала штрихов наносится на нейтральной плоскости. Такое поперечное сечение меры обеспечивает наибольшую жесткость и наименьшее измене­ ние расстояния между штрихами при изгибе стержня. В за­ висимости от точности штриховых мер ширина штрихов име­ ет от 0,001 до 0,5 мм. Устройство образцового штрихового метра первого разряда для передачи размера с рабочих эталонов на измерительные инструменты изображено на рис. 1.1. Он изготовлен в виде жесткой линейки 1 со ско­ шенными краями. На наклонных поверхностях нанесены шкалы: на одной — основная с ценой деления 0,2 мм, на другой — вспомогательная с ценой деления 1 мм (погреш­ ности изготовления каждого интервала деления ±0,01 мм).

* Метрология (учение о мерах) — наука о точных измерениях, рас­ сматривающая единицы измерения, эталоны, способы передачи значений единиц, методы и средства точных измерений, обработку результатов измерений.

12

Для увеличения точности отсчета на линейке имеются две подвижные лупы 2 с семикратным увеличением и термо­ метр 3, служащий для контроля соблюдения температур­ ного режима. На рисунке показано взаимное расположение шкал образцового метра и измерительной линейки 4.

Ленточные штриховые меры длины (рулетки, линейки) представляют собой стальную или инварную ленту со шка­ лой подразделений, нанесенной на одной стороне ленты.

Рис. 1.1. Устройство образцового штрихового метра

Измерительные металлические линейки предназначают­ ся для линейных измерений непосредственным сравнением измеряемых размеров со шкалой меры. Они изготавливают­ ся длиной 150; 300; 500 и 1000 мм из стальной пружинной термообработанной ленты с наименьшим интервалом меж­ ду делениями 1 мм. Допускаемые отклонения миллиметро­

и передачи единицы длины, поверки и градуировки различ­ ных мер и приборов, поверки калибров, а также для изме­ рений размеров изделий и приспособлений, для точных раз­ меточных и координатно-расточных работ, наладки стан­ ков и т. п. Концевыми мерами длины называются меры в виде плиток (брусков), длина которых определяется наи­ кратчайшими расстояниями между измерительными поверх­ ностями, ограничивающими меру. Они являются мерами однозначными. В практике наиболее распространены сталь­ ные плоско-параллельные концевые меры длины (ГОСТ 9038—59), имеющие плоские и параллельные друг другу измерительные поверхности, изготовленные в виде наборов мер различных размеров от 0,1 мм до 2 м. Важным свойст­ вом плоскопараллельных концевых мер является их притираемость, т. е. способность прочно сцепляться между собой

13

при надвигании или прикладывании одной меры на другую или меры на пластину (рис. 1.2,а). Это позволяет состав­ лять блоки мер требуемых длин. Номинальные размеры и градации размеров концевых мер длины, комплектация их в наборы осуществлены таким образом, чтобы можно было из минимального числа плиток составить блок кон­ цевых мер любого размера. Конструкнавно концевые меры длины представляют прямоугольный параллелепипед, изго-

товленный из высококачественной стали с малым темпера­ турным коэффициентом удлинения. За размер плоскопа­ раллельной концевой меры длины принимается ее средин­ ная длина А —В, т. е. расстояние между точками А и В на рабочих поверхностях (рис 1, 2, б). Важной характеристи­ кой этих мер является отклонение от плоскопараллельности, которое в данной точке концевой меры определяется как разность между ее длиной и срединной длиной. В зависи­ мости от предельных отклонений этих размеров плоскопа­ раллельные концевые меры длины делятся на классы (ГОСТ 9038—59). Для измерений и разметки изделий с по­ мощью концевых мер используются державки, боковики, стяжки и т. д.

Меры массы. Основой измерения массы в СССР явля­ ется Государственный эталон килограмма. В его состав входят: копия международного прототипа килограмма — платиноиридиевая гиря и эталонные весы для передачи размера единицы массы от первичного эталона эталонам— копиям и рабочим эталонам. Порядок передачи размера

14

единицы массы от эталона килограмма образцовым и ра­ бочим гирям и весам установлен ГОСТ 14636—69. Рабочие меры массы (гири) изготавливаются пяти классов, каждый из которых имеет свою область применения: гири классов 1 и 2 применяются при химических анализах высшей и обычной точности; 3 и 4—при технических анализах повы­ шенной и обычной точности; 5—при торговых и хозяйст­ венных взвешиваниях. Кроме единицы килограмма пользу­ ются его кратными и дольными значениями. Гири соединя­ ют в миллиграммовые, граммовые и килограммовые набо­ ры, составленные по десятичной системе так, чтобы при наименьшем числе гирь можно было получить любую мас­ су. Допускаемые отклонения массы гирь различных клас­ сов от номинального,значения приняты такими, чтобы гири всех классов можно было бы использовать без учета этих отклонений.

Меры времени и частоты. Единицей измерения времени является с е к у н д а , которая определяется как промежуток времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 коле­ баний, соответствующих энергетическому переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома

цикл периодического процесса. Из определения единиц вре­ мени и частоты следует их взаимосвязь.

Государственный эталон времени и частоты СССР со­ стоит из группы атомно-молекулярных мер времени, квар­ цевых часов и устройств для сличения эталонных частот. Этот эталон непрерывно поддерживает хронометрический процесс, а управляемые этим процессом часы служат для хранения шкалы атомного времени.

В атомных эталонах (стандартах) частоты используют­ ся квантовые переходы между энергетическими уровнями атомов вещества. В настоящее время для создания стан­ дартов частоты кроме атомов цезия используются также атомы рубидия и водорода. Поэтому эталоны частоты или генераторы колебаний называют цезиевыми, рубидиевыми или водородными. Атомный стандарт частоты, снабженный синхронными часами, называют атомными часами. Погреш­ ность их хода — 1 сек за 300, 3000 и 30 000 лет соответст­ венно для цезиевого, рубидиевого и водородного генерато­ ров.

Обеспечение народного хозяйства СССР сигналами точного времени, эталонными и образцовыми частотами

1S

производится государственной службой времени и частоты.

ные радиостанции [3]. Относительная погрешность излуча­ емой эталонной частоты ± 1 ,1 0 -10.

Стандарты частоты служат для поверки и калибровки по частоте частотомеров и количественной оценки стабиль­ ности генераторов, резонансных систем и т. п. Принимая ра­ диоприемником эталонные частоты, можно измерять мето­ дом сравнения отклонение и уход частоты местного высоко­ стабильного генератора. В ряде городов СССР образцовые частоты транслируются потребителям по-телефонной сети.

В повседневной практике применяются менее точные ис4 точники опорных частот — вторичные эталоны частоты. Нестабильность таких эталонов с кварцевыми генератора­ ми лежит в пределах от 5- ІО-7 до 1 •ІО-9.

Образцовые меры времени и частоты имеют меньшую точность и служат для практических работ. Они создают­ ся на кварцевых и молекулярном генераторах, на газовой ячейке. Так, например, мера частоты на основе кварцевого генератора является высокостабильным источником радио­ частоты. Такие меры имеют малые габариты и вес, боль­ шой срок непрерывной работы, малое потребление энерго­ питания [5]. Кроме того, для определения времени при­ меняются маятниковые часы. Наиболее точные из них имеют суточную вариацию хода в пределах 0,2+0,3 мсек. Измерение времени и частоты можно производить с по­

кое и расчетное значение. Однако измерительных приборов со шкалами, градуированными в радианах, пока не суще­ ствует. При практических измерениях плоские углы выра­ жаются в угловых градусах, минутах и секундах; 1 рад —

= 57°17'-44,8"; 1 °= 6 0 '; 1 '= 6 0 " . Шкалы некоторых угло­ мерных приборов градуированы в новых градусах, или

16

гонах: 1 го н = 0,01Ь= 0,01570796 рад (,..L — прямой угол =

= - j Рад)-

Единица плоского угла воспроизводится на эталонной установке ВНИИМ с помощью многогранных призм и ав­ токоллиматоров с погрешностью 0,2". Угловые меры изго­ тавливают в виде трехгранных (с одним рабочим углом), четырехгранных (с четырьмя рабочими углами) плиток

неравномерным угловым шагом. Плитки изготавливают из стали, а многогранные призмы.из стали, оптического стек­ ла и плавленого кварца.

7

мер, входящих в блоки. Для более надежного крепления мер служат специальные державки с винтами и клиньями (рис. 1.3,в), входящими в соответствующие отверстия в плитках.

Рис. 1.4. Металлические угольники

В соответствии с ГОСТ 2875 — 62 угловые меры комплектуются в виде нескольких различных наборов, состоя­ щих из 93, 33, 24, 8 и 7 мер. В зависимости от допускаемых

18

венного контроля углов изделий. В промышленности для контроля взаимной перпендикулярности распространены угольники с рабочим углом 90°. Они служат для проверки взаимной перпендикулярности плоскостей или линий у из­ делий, перпендикулярности относительных перемещений деталей машин, а также при монтажных работах. Уголь­

из смеси сернокислой закиси ртути с кристаллами серноки­ слого кадмия. Отрицательным электродом является амаль­ гама кадмия. Для сохранения насыщения электролита — водного раствора сернокислого кадмия — над обоими элек­ тродами помещены его кристаллы. Элемент заключается в металлический, деревянный или пластмассовый кожух с хо­ рошо изолированными зажимами, к которым присоединяют­ ся проводники от электродов. Внутри кожуха с помощью термометра измеряют температуру, так как э. д. с. нор­ мального элемента может колебаться в некоторых преде­