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

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

2

3

4

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:

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:

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