книги из ГПНТБ / Электрические измерения. Общий курс учебник

Несмотря на то, что в середине X I X в. уже пользовались электро­

величин принадлежат русскому ученому академику Борису Семе­ новичу Якоби. Он создал ряд приборов для измерения электриче­ ского сопротивления, назвав их «вольтагометрами», изготовил свой собственный условный эталон сопротивления из медной проволоки и разослал его ряду физиков. Б . С. Якоби усовершенствовал «вольт­ аметр» — прибор для измерения силы тока по количеству вещества, отлагаемого током при электролизе в единицу времени.

Эти работы Б. С. Якоби, весьма важные для развития электроизме­ рительной техники, предшествовали созданию системы электрических единиц, которая установилась значительно позднее. В 1880 г. имели распространение 15 единиц электрического сопротивления, 8 единиц электродвижущей силы, 5 единиц электрического тока. Ввиду такого разнообразия в единицах всякое сравнение результатов измерений и расчетов различных исследователей было практически невозможным.

Систему' электрических единиц установил Первый конгресс по электричеству, состоявшийся в Париже в 1881 г. Россию на этом конгрессе представлял А. Г. Столетов. По его настоянию были при­ няты электромагнитная и электростатическая системы единиц. Для практических целей конгрессом была введена абсолютная система, единицы которой получаются из соответствующих единиц системы

магнитные единицы.

По инициативе гениального ученого Дмитрия Ивановича Мен­ делеева на рубеже прошлого и настоящего веков в Главной палате мер и весов в Петербурге было организовано специальное отделение для поверки электрических измерительных приборов. Уже в 1909 г. в Главной палате мер и весов А. Н. Георгиевский и М. Ф. Маликов приступили к созданию эталонов ома и вольта; последнего — в виде группы нормальных элементов.

Несмотря на значительные изобретения й работы русских уче­ ных ^в области электроизмерительной техники, в дореволюционной России производство средств измерений практически отсутствовало.

После Великой Октябрьской социалистической революции нача­ лось всестороннее развитие всех отраслей народного хозяйства, кото­ рое выдвинуло новые задачи в области электроизмерительной тех­ ники.

В 1927 г. начал выпускать электроизмерительные приборы новый завод «Электроприбор» (ныне завод «Вибратор»). В 1930 г. была орга­ низована Отдельная лаборатория измерений (ОЛИЗ), сотрудники которой разработали ряд ггриборов и многое сделали в области рас­ чета и конструирования электроизмерительных приборов. Особенно плодотворной в этом направлении была деятельность профессора H . Н. Пономарева. Начали выпускаться приборы для измерений не-

10

ческих систем промышленных предприятий. С 1949 г. завод «Электро­ пульт» начал ее серийный выпуск.

Измерительная техника, представляющая собой совокупность методов и средств для получения достоверной количественной инфор­ мации о характеристиках веществ, материалов, изделий, технологи­ ческих процессов и физических явлений, является одним из решающих факторов технического прогресса во всех отраслях народного хо­ зяйства. В послевоенные годы произошли существенные качествен­ ные сдвиги в требованиях к средствам электрических измерений. Эк­ стремальный характер условий многих областей современного про­ изводства и научных исследований (высокие и низкие температуры и давления, агрессивные среды, крайне малые или, наоборот, очень высокие скорости протекания процессов, широкий диапазон измеряе­ мых величин и т. п.) потребовал широкой автоматизации процессов измерения. Возникли новые требования к средствам измерений, ха­ рактеризующиеся переходом к использованию результатов не от­ дельных измерений, а потоков измерительной информации, приме­ нением для обработки результатов измерений электронных вычисли­ тельных машин. Стали интенсивно развиваться различные виды измерительных информационных систем.

В результате успешного выполнения пятилетних планов развития народного хозяйства СССР вступили в строй электроприборостро­ ительные заводы. Электроприборостроение в настоящее время явля­ ется развитой отраслью отечественной промышленности.

Средства электрических измерений, выпускаемые заводами, пга- N роко используются в различных отраслях народного хозяйства, осо­ бенно в электроэнергетике и др.

План развития народного хозяйства СССР на 1971—1975 гг. предусматривает увеличение выпуска приборов в два раза, а также завершение создания полного комплекса унифицированных устройств, входящих в государственную систему приборов, и освоение производ­ ства таких устройств. Должна значительно расшириться номенкла­ тура средств электрических измерений для решения самых разно­ образных задач, в особенности в научных исследованиях и для авто­ матизации производства.

Электроизмерительная техника имеет исключительно большое значение для научно-исследовательской работы. Чем совершеннее и точнее электроизмерительные приборы, тем глубже и правильнее может быть изучено исследуемое явление. Развитие электроизмери­ тельной техники весьма эффективно способствует углублению зна­ ний и новым открытиям и всестороннему прогрессу во всех отраслях науки и техники.

В настоящее время электроизмерительная техника интенсивно развивается во всех ее направлениях:

а. Повышается точность и быстродействие, расширяется частот­ ный диапазон, улучшаются конструкции многообразных электроизме-

11

Глава первая

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЯХ

1. Определение и классификация средств измерений

Электрические измерения и единицы измерений. Задачей электри­ ческих измерений является нахождение значений физических вели­

и происходящих в них процессов. Электрическое сопротивление тела, напряженность электрического поля, масса, время и др. — все это физические величины.

Размер единицы измерения, вообще говоря, может быть любым. Однако измерения должны выполняться в общепринятых единицах. Такие единицы-устанавливаются в каяедой стране особым законода­ тельством с учетом рекомендаций Международных организаций.

В СССР с 1 января 1963 г. введена Международная система еди­ ниц СИ 1 ГОСТ 9867—61. Этим стандартом предусмотрено, что си­ стема СИ должна применяться как предпочтительная во всех обла­ стях науки, техники и народного хозяйства, а также при препода­ вании. Основными единицами СИ являются: метр, килограмм, се­ кунда, ампер, градус Кельвина и свеча 2 . Перечислены также 27 про­ изводных единиц с указанием их размера. Внесистемные единицы, допускаемые к применению, устанавливаются стандартами на еди­ ницы по отдельным областям измерений.

Международная система единиц СИ является универсальной, так как охватывает все области измерений, и когерентной, т. е. такой си­ стемой, в котЪрой производные единицы всех величин могут быть по­ лучены с помощью определяющих уравнений с численными коэф­ фициентами, равными единице. Кроме того, как основные единицы,

13

по своему размеру удобны для практического их применения. Зна­ чительное число единиц СИ: метр, килограмм, секунда, ампер, вольт и др. получили широкое распространение задолго до ее введения. Необходимость перехода к Международной системе единиц дикто­ валась требованиями повышения точности измерений, унификации и уточнения единиц физических величин.

Виды средств электрических измерений. Средствами электриче­ ских измерений называют технические средства, используемые при электрических измерениях и имеющие нормированные метрологи­ ческие свойства. Различают следующие виды средств электрических измерений.

1.Меры.

2.Электроизмерительные приборы.

3.Измерительные преобразователи.

4.Электроизмерительные установки.

5.Измерительные информационные системы.

Мерами называют средства измерений, предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера. Разли­ чают однозначные меры, многозначные меры и наборы мер.

Однозначная мера воспроизводит физическую величину одного размера; многозначная мера воспроизводит ряд одноименных вели­ чин различного размера; примером многозначных мер может служить конденсатор переменной емкости, вариометр индуктивности и др. Набор мер представляет собой специально подобранный, комплект мер, применяемых не только по отдельности, но и в различных соче­ таниях с целью воспроизведения ряда одноименных величин различ­ ного размера. Примерами набора мер являются магазины сопротив­

ческих измерений, предназначенные для выработки сигналов изме­ рительной информации, т. е. сигналов, функционально связанных с измеряемыми физическими величинами, в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Они весьма разнооб­ разны по своему принципу действия и конструктивному оформлению

Электроизмерительные приборы, показания которых являются непрерывными функциями изменений измеряемых величин, называ­ ются аналоговыми приборами.

Электроизмерительные приборы, автоматически вырабатываю­ щие дискретные сигналы измерительной информации, показания которых представлены в цифровой форме, называются цифровыми приборами.

В зависимости от того, допускает ли электроизмерительный при­ бор только считывание показаний или допускает считывание и реги­ страцию показаний в той или иной форме или только регистрацию, все приборы могут быть разделены на две группы: показывающие приборы и регистрирующие приборы.

14

Если регистрирующий измерительный прибор дает запись пока­ заний в форме диаграммы, то такие приборы называют самопишу­ щими.

Регистрирующий измерительный прибор, в котором предусмот­ рено печатание показаний в цифровой форме, называют печатающим электроизмерительным прибором.

Электроизмерительные приборы, показания которых функцио­ нально связаны с суммой двух или нескольких величин, подводимых к ним по различным каналам, называют суммирующими. Примером суммирующего прибора может служить ваттметр, предназначенный для измерения суммарной мощности нескольких генераторов.

Широкое распространение получили так называемые интегрирую­ щие приборы, в которых подводимая величина подвергается интегри­ рованию по времени или по другой независимой переменной. При­ мером может служить электрический счетчик энергии.

Для возможности измерения прибором тойили иной физической величины в принятых единицах обязательно должна участвовать мера. Электроизмерительный прибор может быть заранее градуирован в единицах измеряемой величины, т. е. мера участвовала в процессе изготовления прибора.

Существуют приборы, предназначенные для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно. Такие электроизмерительные приборы называют приборами сравнения. Примерами приборов сравнения являются мосты, потен­ циометры и др. (см. гл. 6).

В приборах сравнения и некоторых других для установления отсутствия тока в каком-либо участке цепи или равенства напряжений на каких-либо участках цепи применяются приборы, получившие название нуль-индикаторов. Примерами нуль-индикаторов могут быть гальванометры или электронные устройства, выдающие им­ пульс тока (или прекращающие выдачу импульсов) при равенстве двух напряжений, подводимых к их входам.

Дальнейшие подразделения приборов по существенным конструк­ тивным и функциональным признакам представляют собой парал­ лельные классификации, помогающие выявить техническую сущ­

2) переносные, т. е. такие, корпуса которых не предназначены для жесткого крепления на месте установки.

В зависимости от степени защищенности приборы бывают обык­ новенными, пыле-, водо-,-брызгозащищенными, герметическими и др.

По роду измеряемой величины приборы делятся на амперметры — для измерения тока; вольтметры — для измерения напряжения; омметры — для измерения сопротивления и т. п.

Кроме указанных классификаций, существуют и другие, рассмот­ ренные дальше.

15

Измерительными преобразователями называют средства электри­ ческих измерений, предназначенные для выработки сигнала измери­ тельной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшею преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

В зависимости от характера измеряемых величин различаются следующие виды измерительных преобразователей:

1) преобразователи электрических величин в электрические же

относятся шунты, делители напряжения, добавочные сопротивле­ ния, измерительные трансформаторы и другие устройства. Приме­ нение преобразователей позволяет изготовлять приборы на раз­ ные пределы измерений, производить измерения относительно боль­ ших токов и напряжений приборами, имеющими меньшие пределы измерений и т. д. К преобразователям электрических величин в элект­ рические же величины относятся многочисленные преобразователи, предназначенные для получения сигналов измерительной информа­ ции в форме, удобной для ее передачи, преобразования, обработки хранения. Примерами подобного рода преобразователей являются преобразователи измеряемых электрических величин в цифровой код (см. гл. 9), который может быть использован для передачи изме­ рительной информации но каналам связи или для введения в элект­ ронные вычислительные машины для последующей обработки по за­ данной программе или для представления измерительной информа­ ции в цифровой форме. К преобразователям электрических величин

вэлектрические могут быть отнесены преобразователи, применяемые

вмагнитных измерениях с использованием электроизмерительных приборов. Примером может служить преобразователь Холла.

Преобразователи неэлектрических величин в электрические пред­ ставляют собой обширную группу преобразователей, применяемых при электрических измерениях неэлектрических величин. Примером могут служить различные термосопротивления, индуктивные пре­ образователи и другие приборы, при помощи которых измеряемая неэлектрическая величина (температура, давление и др.) отобража­ ется электрической величиной (электрическое сопротивление, ин­ дуктивность и др.), находящейся в определенной функциональной зависимости от измеряемой неэлектрической величины. Измеритель­ ные преобразователи неэлектрических величин в электрические рас­ смотрены в гл. 8.

Некоторые виды измерительных преобразователей иногда назы­ вают датчиками \ под которыми понимают конструктивную совокуп­ ность одного или нескольких измерительных преобразователей и со­ путствующих им конструктивных элементов, размещаемых непосред-

1 Следует отметить, что терминологию в области средств электроизмери­ тельной техники в настоящее время еще нельзя считать окончательно устано­ вившейся.

1 6

воздушным или кабельным линиям связи или радиоканалам. В этих случаях измерительные системы называют телеизмерительными си­ стемами. Более подробно измерительные информационные системы рассмотрены в гл. 10.

2. Общие сведения о характеристиках средств измерений

Погрешности средств измерений. Погрешность является одной из основных характеристик средств измерений. Погрешностью меры называется отклонение номинального значения меры (заданного раз­ мера меры), воспроизводящей ту или иную физическую величину, от истинного значения воспроизводимой ею величины. Под погреш­ ностью электроизмерительных приборов, измерительных преобразо­ вателей и измерительных систем понимается отклонение их выход­ ного сигнала от истинного значения входного сигнала. В связи с тем что истинное значение измеряемой величины (входного сигнала) остается неизвестным, рекомендуется пользоваться термином „действи­ тельное значение", за которое принимается такое значение, которое может быть определено при помощи средств измерений. Иногда в качестве характеристики средств измерений пользуются понятием точности средств измерений, под которой понимают качество средств измерений, отражающее близость к нулю его погрешностей.

В зависимости от изменения во времени измеряемой величины, различаются следующие погрешности средств измерений:

ствующей значению измеряемой величины в данный момент вре­ мени.

В зависимости от характера изменения погрешностей средств изме­ рений различают:

1) систематические погрешности — погрешности, остающиеся постоянными или закономерно изменяющиеся;

2) случайные погрешности — погрешности, изменяющиеся слу­ чайным образом.

В зависимости от условий возникновения погрешностей разли­ чают :

1)основную погрешность — погрешность средств измерений, используемых в нормальных условиях;

2)дополнительную погрешность изменения погрешности сред­ ства измерений, вызванного отклонением одной из влияющих вели­ чин от нормального значения или выходом за пределы нормальных значений.

Классом точности средства измерений называют обобщенную их характеристику, определяемую пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей,'а также другими свойствами сред­ ства измерений, влияющими на точность, значения которых устанав­ ливаются в стандартах на отдельные виды средств измерений.

18

В соответствии с ГОСТ 13600—68 пределы допускаемых основ­ ной и дополнительных погрешностей средств измерений для каждого из классов точности должны устанавливаться в виде абсолютных, относительных или приведенных погрешностей, или в виде определен­ ного числа делений.

Характеристики электроизмерительных приборов. Общими харак­ теристиками электроизмерительных приборов являются: статические погрешности, вариации показаний, чувствительность к измеряемой величине, диапазон измерений, собственное потребление приборами мощности, время установления показаний прибора и надежность прибора.

Абсолютная погрешность Л прибора есть разность между показа­ нием прибора ах и истинным значением а измеряемой величины, т. е.

Абсолютная погрешность, взятая с обратным знаком, называется поправкой.

Относительная погрешность ß представляет собой отношение аб­ солютной погрешности к истинному значению измеряемой величины. Относительная погрешность, обычно выражаемая в процентах, равна

быть равным:

а) для приборов с нулевой отметкой на краю или вне шкалы —

значений, встречаются и другие, устанавливаемые в стандартах на отдельные виды приборов.

При установлении классов точности приборов нормируется при­ веденная погрешность, а не относительная. Причина этого заключа­ ется в том, что относительная погрешность по мере уменьшения зна­ чений измеряемой величины увеличивается.

1 Государственная система обеспечения единства измерений. Стандарт рас­ пространяется на меры, нзмерителвные приборы и измерительные преобразо­ ватели. V

19