Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Голубятникова Н.О., А.И. Чередов. Лаб.раб. Метрология электрорадиоизмерений

.pdf
Скачиваний:
3
Добавлен:
10.06.2025
Размер:
2.23 Mб
Скачать

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

————————————

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Омский государственный технический университет»

Н. О. Голубятникова, А. И. Чередов

МЕТРОЛОГИЯ

ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЙ

Практикум

Омск Издательство ОмГТУ

2019

УДК 621.317+006.91 ББК 30.10

Г62

Рецензенты:

А. А. Кузнецов, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Теоретическая электротехника» ОмГУПС;

А. В. Бородин, технический директор ЗАО «ПО «Электроточприбор»

Голубятникова, Н. О.

Г62 Метрология электрорадиоизмерений : практикум / Н. О. Голубятникова, А. И. Чередов ; Минобрнауки России, ОмГТУ. – Омск : Изд-во ОмГТУ,

2019. – 96 с. : ил.

ISBN 978-5-8149-2846-7

Рассмотрены прямые и косвенные измерения электрических величин. Приведены схемы подключения приборов для измерений. Описаны способы расчета погрешностей измерений и методика определения параметров электрических сигналов по осциллограммам.

Издание предназначено для студентов радиотехнического факультета всех форм обучения по направлениям 11.05.01, 11.03.01, 11.03.02, 11.03.03, 11.03.04, 12.03.01.

УДК 621.317+006.91 ББК 30.10

Печатается по решению редакционно-издательского совета Омского государственного технического университета

ISBN 978-5-8149-2846-7

© ОмГТУ, 2019

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................

6

1. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ...............................................

7

1.1. Понятия измерений...........................................................................................

7

1.2. Понятия средств измерений...........................................................................

11

1.3. Понятия методов измерений..........................................................................

14

1.4. Правила округления при обработке результатов измерений .....................

16

1.5. Понятия метрологической прослеживаемости............................................

17

2. Лабораторная работа

 

ПРЯМЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

 

ЦИФРОВЫМИ МУЛЬТИМЕТРАМИ ................................................................

19

2.1. Сведения из теории.........................................................................................

20

2.1.1. Описание цифрового мультиметра MASTECH MY64 .......................

20

2.1.2. Описание цифрового мультиметра SANWA PC500...........................

23

2.1.3. Определение основной погрешности мультиметра ..........................

26

2.2. Указания к проведению работы в лаборатории...........................................

26

2.2.1. Измерение постоянного и переменного напряжения .......................

27

2.2.2. Измерение постоянного и переменного тока.....................................

29

2.2.3. Измерение электрического сопротивления .......................................

32

2.2.4. Измерение частоты переменного тока ...............................................

35

3. Лабораторная работа

 

СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ.........

38

3.1. Сведения из теории.........................................................................................

39

3.1.1. Числовые характеристики случайных величин.................................

39

3.1.2. Операции, выполняемые при статистической обработке

 

результатов измерений.........................................................................

41

3.1.3. Исключение грубых погрешностей ....................................................

42

3.1.4. Распределение вероятностей ...............................................................

43

3.1.5. Проверка гипотезы о нормальности распределения результатов

 

измерений ..............................................................................................

45

3.1.6. Доверительные границы случайной погрешности............................

47

3.2. Указания к проведению работы в лаборатории...........................................

48

3

4. Лабораторная работа

 

КОСВЕННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ...

51

4.1. Сведения из теории.........................................................................................

51

4.1.1. Измерение сопротивления методом амперметра и вольтметра ......

51

4.1.2. Метод трех вольтметров ......................................................................

54

4.1.3. Порядок снятия показаний с многопредельных аналоговых

 

приборов................................................................................................

56

4.2. Указания к проведению работы в лаборатории ..........................................

57

4.2.1. Измерение больших значений сопротивлений (RX >> RV) ..............

58

4.2.2. Измерение маленьких значений сопротивлений (RX << RV) ...........

60

5. Лабораторная работа

 

РАСШИРЕНИЕ ПРЕДЕЛОВ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЕРМЕТРА

 

И ВОЛЬТМЕТРА ПРИ ПОМОЩИ ШУНТА И ДОБАВОЧНОГО

 

СОПРОТИВЛЕНИЯ................................................................................................

62

5.1. Сведения из теории.........................................................................................

62

5.2. Указания к проведению работы в лаборатории ..........................................

65

5.2.1. Расширение пределов измерения амперметра ..................................

65

5.2.2. Расширение пределов измерения вольтметра ...................................

67

6. Лабораторная работа

 

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА С ПОМОЩЬЮ

 

ОСЦИЛЛОГРАФА..................................................................................................

70

6.1. Сведения из теории.........................................................................................

70

6.1.1. Обобщенная конструкция электронного осциллографа

 

на основе ЭЛТ.......................................................................................

70

6.1.2. Порядок работы с осциллографом......................................................

73

6.1.3. Определение параметров электрического сигнала на экране

 

осциллографа ........................................................................................

76

6.1.4. Конструкция измерительного генератора..........................................

78

6.2. Указания к проведению работы в лаборатории ..........................................

79

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................

82

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.................................................................

83

4

ПРИЛОЖЕНИЯ .......................................................................................................

85

Приложение 1 (справочное)

 

МЕЖДУНАРОДНАЯ СИСТЕМА ЕДИНИЦ СИ ...............................................

86

Приложение 2 (справочное)

 

ПРИСТАВКИ ДЛЯ ОБОЗНАЧЕНИЯ ДОЛЬНЫХ И КРАТНЫХ ЕДИНИЦ......

90

Приложение 3 (справочное)

 

ОБОЗНАЧЕНИЕ КЛАССОВ ТОЧНОСТИ НА СРЕДСТВАХ

 

ИЗМЕРЕНИЙ .........................................................................................................

91

Приложение 4 (справочное)

 

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, НАНОСИМЫЕ

 

НА ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ

 

ЧАСТИ ....................................................................................................................

92

5

ВВЕДЕНИЕ

Наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука немыслима без меры.

Д. И. Менделеев

Измерения являются одним из путей познания законов природы, дают количественную оценку окружающего мира, раскрывают действующие в природе закономерности. Благодаря измерениям ученые получили возможность устанавливать количественные соотношения, выражающие объективные законы природы. Данные соотношения можно считать верными лишь с той степенью точности, с которой выполнены измерения, положенные в их основу.

На сегодняшний день Россия занимает второе место в мире по своим измерительным возможностям, признанным на международном уровне. Россия находится в тройке лидеров по разработке эталона времени и частоты, называемого «сверхточными часами». Атомные, или оптические, часы на холодных атомах стронция – разработка Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений Росстандарта. «Сверхточные часы» используются на навигационных спутниках, и от того, насколько синхронно они работают, зависит точность навигации для потребителей. Продолжая исследования и повышая точность определения времени и частоты, Россия, по сути, уже сегодня обеспечивает себе будущее лидерство в области технологий беспилотного транспорта.

Однако не все так радужно. До сих пор наблюдается отставание России

всферах микроэлектроники и автоматизированных систем обработки информации. Как результат – значительное количество измерительных устройств

внашей стране сегодня имеет иностранное происхождение.

Для понимания основ метрологии электрорадиоизмерений в практикуме рассмотрены следующие вопросы: прямые измерения электрических величин, таких как электрическое напряжение, сила электрического тока, частота, электрическое сопротивление; косвенные измерения электрического сопротивления; схемы подключения приборов для измерений; способы расчета погрешностей измерения при прямых и косвенных измерениях; методика статистической обработки прямых многократных измерений; методы расширения пределов измерения амперметров и вольтметров; принцип работы осциллографа и методика определения параметров электрических сигналов по осциллограммам.

6

1. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Трудных предметов нет, но есть бездна вещей, которых мы просто не знаем, и еще больше таких, которые знаем дурно, бессвязно, отрывочно, даже ложно. И эти-то ложные сведения еще больше нас останавливают и сбивают, чем те, которых мы совсем не знаем.

А. И. Герцен

1.1. ПОНЯТИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

Термины и определения метрологии изложены в рекомендациях по межгосударственной стандартизации РМГ 29–2013 [9]. Рассмотрим основные понятия более подробно.

Метрология (metrology) – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Величина (quaintly) – свойство материального объекта или явления, общее

вкачественном отношении для многих объектов или явлений, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них. К величинам относятся время, сила электрического тока, частота, масса и т. д.

Единица (измерения) (величины) (measurement unit) – величина фиксиро-

ванного размера, которой присвоено числовое значение, равное единице, определяемая и принимаемая по соглашению для количественного выражения однородных с ней величин. Например, единица времени – секунда; единица силы электрического тока – ампер; единица частоты – герц; единица массы – килограмм.

Единство измерений (uniformity of measurement) – состояние измерений,

при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин или

взначениях по установленным шкалам измерений, а показатели точности не выходят за установленные границы.

На территории нашей страны к узаконенным единицам относятся единицы системы СИ и внесистемные единицы, установленные государственным стандартом ГОСТ 8.417–2002 [4]. Некоторые из них представлены в прил. 1, 2.

7

Измерение величины (measurement) – процесс экспериментального получения одного или более значений величины, которые могут быть обоснованно приписаны величине.

Методика (выполнения) измерений (measurement procedure) – установлен-

ная логическая последовательность операций и правил при измерении, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений в соответствии с принятым методом измерений. Обычно методика измерений рекомендуется каким-либо нормативным документом.

Прецизионность (измерений) (measurement precision) – близость между по-

казаниями или измеренными значениями величины, полученными при повторных измерениях для одного и того же или аналогичных объектов при заданных условиях.

Неопределенность (измерений) (measurement uncertainty) – неотрицатель-

ный параметр, характеризующий рассеяние значений величины, приписываемых измеряемой величине на основании измерительной информации.

Точность измерений (measurement accuracy) – близость измеренного значения к истинному значению измеряемой величины.

Так как истинное значение измеряемой величины всегда неизвестно, то при получении количественной характеристики точности измерений используют принятое значение величины. Если принятое значение получено экспериментальным путем и настолько близко к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него, то оно назы-

вается действительным значением. Опорным значением может быть истинное,

принятое или действительное значение.

Погрешность результата измерения (measurement error) – разность между измеренным значением величины и опорным значением величины.

Максимально допустимая погрешность (измерения) (maximum permissible measurement error) – максимальное значение погрешности измерения (без учета знака), разрешенное спецификацией или нормативными документами для данного измерения.

По способу выражения результатов измерения погрешности подразделя-

ются на абсолютные и относительные.

Абсолютная погрешность измерения (absolute error) находится как раз-

ность между измеренным X и действительным XД значениями измеряемой величины:

X XД .

(1.1)

8

Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой величины и может быть как положительной, так и отрицательной. Эта погрешность характеризует только количественную сторону результата измерения.

Часто возникает необходимость соотнести абсолютную погрешность с размером самой измеряемой величины, тогда используют понятие «относительная погрешность». Относительная погрешность отражает качественную сторону процесса измерения.

Относительная погрешность измерения (relative error) находится как от-

ношение абсолютной погрешности измерения к опорному или измеренному значению величины:

 

X 100 % .

(1.2)

 

X

 

Результат измерения величины (measurement result) – множество значений величины, приписываемых измеряемой величине вместе с любой другой доступной и существенной информацией.

Результат измерения может быть представлен измеренным значением величины с указанием соответствующего показателя точности (например, среднего квадратического отклонения, стандартной неопределенности измерений). Если значение показателя точности можно считать пренебрежимо малым для заданной цели измерения, то результат измерения представляется с указанием класса точности применяемого средства измерений.

Например, результат измерения силы электрического постоянного тока может быть представлен показаниями средства измерения и относительной погрешностью данного средства измерения: I = 2 А; δ = 0,5 % [8].

По характеру (закономерности) проявления погрешности измерений под-

разделяются на случайные и систематические.

Случайная погрешность измерения (random measurement error) – сос-

тавляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) при повторных измерениях, проведенных в определенных условиях.

Систематическая погрешность измерения (systematic measurement error)

это составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины.

9

В зависимости от характера измерения во времени систематические погрешности подразделяются на постоянные, прогрессирующие, периодические и погрешности, изменяющиеся по сложному закону.

Грубая погрешность измерения – погрешность измерения, существенно превышающая зависящие от объективных условий измерений значения систематической и случайной погрешностей [6].

Поправка (correction) – значение величины, вводимое в показание с целью исключения систематической погрешности. Иногда поправки на оцененные систематические эффекты не вводят в результат измерений, а рассматривают как составляющие неопределенность измерений.

По виду модели измерений измерения подразделяются на прямые, косвенные, совместные и совокупные.

Прямое измерение (direct measurement) – измерение, при котором искомое значение величины получают непосредственно от средства измерений. Например, измерение частоты с помощью частотомера, измерение электрического сопротивления с помощью омметра.

Косвенное измерение (indirect measurement) – измерение, при котором искомое значение величины определяют на основании результатов прямых измерений других величин, функционально связанных с искомой величиной. Например, определение электрического сопротивления по результатам прямых измерений электрического тока и напряжения, связанных с сопротивлением по закону Ома.

Совокупные измерения – проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, полученных при измерениях этих величин в различных сочетаниях. Например, измерение сопротивления резисторов, соединенных треугольником, путем измерений сопротивлений между различными вершинами треугольника; по результатам трех измерений определяют сопротивления резисторов.

Совместные измерения – проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними. Например, определение зависимости сопротивления проводника от температуры.

10