Измерение электрических величин.Ч.1. Учебно-методическое пособие

трологической точностью). Существуют эталоны электрического сопротивления, единицы тока и т.п.

Электроизмерительными приборами (ЭИП) называют средства электрических измерений, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации, т.е. сигналов, функционально связанных с измеряемыми физическими величинами, в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительные приборы классифицируют по ряду признаков.

1.  По форме индикации измеряемой величины измерительные приборы делят на показывающие и регистрирующие, среди которых есть самопишущие и печатающие.

Показывающий измерительный прибор – устройство, предназначенное только для считывания показаний, например вольтметр, амперметр.

Регистрирующий измерительный прибор – прибор, в котором предусмотрена регистрация показаний измеряемой величины, например универсальный осциллограф.

Самопишущий измерительный прибор – регистрирующий прибор, в котором возможна запись показаний в форме диаграммы.

Печатающий измерительный прибор – регистрирующий измерительный прибор, в котором предусмотрена печать показаний в цифровой форме.

2.  По методу преобразования измеряемой величины различают приборы прямого, компенсационного (уравновешивающего) и смешанного преобразования.

3.  По назначению измерительные приборы делят на амперметры, вольтметры, омметры, частотомеры и т.д.

4.  По структурной схеме ЭП можно разделить на электромеханические и электронные. К радиоизмерительным приборам относятся только электронные, в которых в качестве отсчетного узла могут входить электромеханические устройства.

5.  По форме преобразования используемых измерительных сигналов приборы делят на аналоговые и цифровые.

11

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

Аналоговые приборы делят на четыре основные группы, применяемые для разных измерительных целей.

В первую группу входят приборы для измерения параметров и характеристик сигналов (например, осциллографы, частотомеры и пр.).

Вторую группу образуют приборы для измерения параметров и характеристик активных и пассивных элементов электрических схем. Это измерители сопротивления, емкости, индуктивности, а также приборы для снятия частотных и переходных характеристик цепей.

Третья группа – измерительные генераторы, являющиеся источниками сигналов различной амплитуды, формы и частоты.

Четвертая группа – элементы измерительных схем – преобразователи, аттенюаторы, циркуляторы, фазовращатели и т.д.

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

В зависимости от того, допускает ли электроизмерительный прибор только считывание показаний, или считывание и регистрацию, или только регистрацию показаний в той или иной форме, все приборы могут быть разделены на две группы.

Измерительные приборы прямого действия, в которых предусмотрено одно или несколько преобразований сигнала измерительной информации в одном направлении, т.е. без применения цепей обратной связи (например, амперметры, вольтметры).

Измерительные приборы сравнения, предназначенные для непосредственного сравнения измеряемой величины с известной величиной (например, электроизмерительный потенциометр).

12

Интегрирующие измерительные приборы, в которых исследуемая величина интегрируется по времени или по другой независимой переменной (электрический счетчик энергии).

Дальнейшие разделения приборов по конструктивным

ифункциональным признакам представляют собой параллельные классификации. Например, по характеру применения различают стационарные и переносные электроизмерительные приборы, корпуса которых, соответственно, приспособлены и не приспособлены для жесткого крепления на месте установки.

Взависимости от степени защищенности электроизмерительные приборы бывают обыкновенными, пыле-, водо-, брызгозащищенными, герметическими и др.

Измерительными преобразователями называют средства электрических измерений, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки

ихранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Взависимости от вида измеряемых величин измерительные преобразователи делятся на две группы.

1.  Преобразователи электрических величин в электрические же величины (шунты, делители напряжения, измерительные трансформаторы и другие устройства). Применение таких преобразователей позволяет изготовлять приборы на разные пределы измерения, производить измерения относительно больших токов, напряжений и т.д. приборами, имеющими меньшие пределы измерений.

2.  Преобразователи неэлектрических величин в электрические (терморезисторы, тензорезисторы, индуктивные преобразователи и т.д.). Эта группа преобразователей применяется при электрических измерениях неэлектрических величин.

Измерительная система (ИС) – совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в удобной для автомати-

13

ческой обработки форме, ее передачи и использования в системах управления. Измерительные системы условно делят на информационно-измерительные системы (ИИС), измери- тельно-вычислительные комплексы (ИВК) и компьютерноизмерительные системы (КИС).

Измерительные информационные системы – это совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенная для автоматического сбора измерительной информации от ряда источников с многократным использованием одних и тех же преобразователей сигналов, передачи измерительной информации по каналам связи и предоставления ее в том или ином виде.

Измерительно-вычислительные комплексы представляют собой совокупность средств измерений и компьютеров, объединенных с помощью устройств сопряжения и предназначенных для измерений, научных исследований и расчетов.

Компьютерно-измерительная система (виртуальный прибор) состоит из стандартного или специализированного компьютера со встроенной в него платой (модулем) сбора данных.

Измерительная установка (измерительная машина) – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте.

1.3.  Видыиметодыизмерений

1.3.1.  Методыизмерений

Измерения электрических или неэлектрических величин могут быть осуществлены различными способами в зависимости от:

1)  характера измеряемой величины;

2)  требуемой точности;

3)  условий проведения измерений и многого другого.

14

Рассмотрим основные классификации методов измерений. Принято различать несколько видов измерений (рис.  1.3).

Виды

измерений

Рис.  1.3.  Виды измерений

Основные методы измерений

1.По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения выделяют:

•статистические (измеряемая величина остается постоянной);

•динамические (измеряемая величина изменяется). Динамические измерения в свою очередь могут быть непрерывными (технические средства непрерывно следят за измеряемой величиной) и дискретными (значения фиксируются только в определенный момент времени).

2.В зависимости от способа получения результата все измерения делятся на следующие виды.

Прямые измерения, при которых измеряется непосредственно интересующая нас величина. Измеряемая величина (рис.  1.4) находится непосредственно по показанию прибора, например измерение тока амперметром, сопротивления – омметром, напряжения – вольтметром и т.д. – Х = Хизм.

15

PA I

A

U R

Рис.  1.4.  Схема для проведения прямого измерения

Косвенные измерения – измеряемая величина находится по известной зависимости от других величин (рис.  1.5), из-

меренных прямым способом – Х = F (Х1, Х2, Х3 …) – R = U / I.

Применяют:

•при отсутствии приборов прямого измерения;

•при невозможности применения приборов прямого измерения;

•если можно получить более высокую точность.

PA I

A

Рис.  1.5.  Схема для проведения косвенного измерения

Совокупные измерения – это измерения, которые состоят из ряда (совокупности) прямых измерений одной или нескольких величин одного вида, выполненных: 1)  или при различных условиях, 2)  или при различных сочетаниях измеряемых величин, а числовое значение результата измерения вычисляется путем решения системы уравнений:

F (X ,X ,X ...)=0;

1 1 2 3

F2 (X1,X2,X3...)=0.

16

Пример: 1 – Rt = RT=∞eB/T – сопротивление термистора, где B и RT=∞ – постоянные, но неизвестные величины.

где T1 и T2 – различные температуры.

Определяем B и RT=∞, решая систему уравнений. Совместные измерения – это производимые одновремен-

но (совместно) измерения двух или нескольких не одноименных величин для нахождения зависимости между ними.

Пример. Измеряя несколько раз Rti и Ti при различных значениях Ti, можно определить зависимость Rti(Ti) (рис.  1.6).

Rti

Рис.  1.6.  Зависимость, построенная в результате совместных измерений

В результате получим

Rti = RT=∞eB/Ti .

3.  По используемому методу измерения современные методы измерений принято делить на метод непосредственной оценки и метод сравнения (рис.  1.7).

17

Рис.  1.7.  Классификация методов измерений

Сущность метода непосредственной оценки заключается

втом, что о значении измеряемой величины судят по показанию одного при прямых измерениях или нескольких при косвенных измерениях приборов, заранее проградуированных

вединицах измеряемой величины или в единицах других величин, от которых зависит измеряемая величина (например, измерение тока амперметром, шкала которого проградуирована в амперах и т.д.). В этом случае о значении измеряемой величины судят по показанию прибора или приборов.

Сущность метода сравнения заключается в том, что измеряемая величина сравнивается с мерой, т.е. мера непосредственно участвует в процессе измерения.

Методы сравнения делятся на четыре группы. 1.  Нулевые.

2.  Дифференциальные. 3.  Метод совпадения. 4.  Метод замещения.

Внулевом методе (рис.  1.8) измеряемая величина сравнивается с мерой или с известной электрической величиной, значение которой определяется мерой.

Эффект, производимый измеряемой величиной, уравновешивается эффектом, производимым известной величиной, таким образом, что при достижении равновесия наблюдается исчезновение определенного явления, например тока в участ-

18

ке цепи или напряжения на нем. Отсутствие тока или напряжения может быть отмечено с очень большой точностью, определяемой чувствительностью служащих для этих целей приборов – гальванометров и других устройств. Разность между Хизм и регулируемой Х0 сводится к нулю: значит Ех = Е0.

Рис.  1.8.  Схема для нулевого метода измерения

Нулевой метод – один из самых точных методов измерения.

В дифференциальном методе, так же как и в нулевом, измеряемая величина сравнивается непосредственно или косвенно с мерой либо с известной величиной, а о значении измеряемой величины судят по разности одновременно производимых этими величинами эффектов, т.е. происходит неполное уравновешивание измеряемой величины, и в этом заключается отличие дифференциального метода от нулевого (рис.  1.9).

PV

Рис.  1.9.  Схема для дифференциального метода измерения

Измеряется разность между Хизм и Х0:

Ех = Е0 +DЕ.

19

Метод совпадения – это такой метод, в котором о значении измеряемой величины судят по совпадению отметок или сигналов, относящихся к измеряемой и известной величинам. (Например, измерение длины нониусом или измерение частоты f с помощью осциллографа Хизм сравнивается с Х0 по совпадению отметок шкал или периодических сигналов.)

Метод замещения – это метод сравнения с мерой, по которому измеряемая величина Хизм заменяется в измерительной установке известной величиной Х0, воспроизводимой мерой, причем путем изменения величины Х0 измерительная установка приводится в прежнее состояние, т.е. достигаются те же показания приборов, что и при действии величины Хизм.·В результате Хизм = Х0. Из всех разновидностей методов сравнения метод замещения наиболее точен, так как при замене измеряемой величины известной никаких изменений в состоянии и действии измерительной установки не происходит, вследствие этого погрешность в показаниях измерительных приборов не влияет на результат измерения. Примером метода замещения может служить измерение сопротивления с поочередным включением измеряемого сопротивления и регулируемого образцового сопротивления в одно и то же плечо моста (рис.  1.10).

Рис.  1.10.  Схема для метода замещения

К прибору поочередно подключаются Хизм и регулируемая Х0: при одинаковых показаниях прибора Ех = Е0.

20