Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Метрология. Электрические измерения. Практикум
.pdf
Средство измерения — техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики. К средствам измерения относят:
Меры — средства измерения, предназначенные для воспроизведения фи-
зической величины заданного размера. Различают однозначные и многозначные меры, а также наборы мер. Например: конденсатор — мера емкости, конденсатор постоянной емкости — однозначная мера, конденсатор переменной
емкости — многозначная мера, набор измерительных конденсаторов — набор
мер. Измерения методом сравнения с мерой выполняют с помощью специальных технических средств — измерительных мостов.
Измерительные преобразователи — средства измерений, вырабатывающие сигналы измерительной информации в форме, удобной для дальнейшего
преобразования, передачи, хранения, обработки, но, как правило, недоступной
для непосредственного восприятия наблюдателем. Например: шунты, трансформаторы тока и напряжения и т. п. Преобразователи могут осуществлять количественные и качественные преобразования.
Измерительный прибор — средство измерения, представляющее собой
совокупность преобразовательных элементов, образующих измерительную
цепь, и отчетного устройства. В отличие от меры, прибор не воспроизводит физическую величину. Измеряемая величина должна подводиться к нему и воздействовать на его первичный измерительный преобразователь.
Измерительные установки — средства измерения, состоящие из функциональных объединенных средств измерений и вспомогательных устройств,
собранных в одном месте.
Измерительные системы — средства измерения и вспомогательные
устройства территориально разобщены и соединены каналами связи.
В установках и системах выходной сигнал измерительной информации
может иметь форму, удобную как для непосредственного восприятия, так и для
автоматической обработки, передачи и использования в автоматизированных
системах управления.
11
2. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ
Погрешность измерения — отклонение результата измерения от истин-
ного значения измеряемой величины.
Абсолютная погрешность измерения – погрешность измерения, выра-
женная в единицах измеряемой величины. Например, абсолютная погрешность
измерения напряжения равна 0,5 В, тока, — 0,2 А и т. п.
Относительная погрешность измерения — отношение абсолютной по-
грешности измерения к истинному значению измеряемой величины.
Примечание. В расчетах истинное значение заменяют действительным
значением измеряемой величины, а относительную погрешность, как правило,
выражают в процентах.
Систематическая погрешность измерения — составляющая погрешно-
сти измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при
повторных измерениях одной и той же величины (например, систематической
является методическая погрешность прямого измерения напряжения, обусловленная затратами электрической энергии на производство измерения).
Случайная погрешность измерения — составляющая погрешности из-
мерения, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной
и той же величины (например, случайной является погрешность округления
при отсчитывании измеряемой величины).
Грубая погрешность измерения — погрешность измерения, существен-
но превышающая ожидаемую погрешность.
Инструментальная погрешность измерения — составляющая погреш-
ности измерения, обусловленная несовершенством средств измерений.
Погрешность метода измерений — составляющая погрешности измерения, обусловленная несовершенством метода измерений, например, погрешность косвенного метода измерения активной мощности в электрической цепи.
Погрешность отсчитывания — составляющая погрешности измерения,
обусловленная субъективностью отсчитывания показаний измерительных приборов.
Погрешность интерполяции при отсчитывании — составляющая по-
грешности отсчитывания, обусловленная недостаточно точным оцениванием на
глаз доли деления шкалы, соответствующей положению стрелочного указателя.
Из теории измерений известно, что абсолютная погрешность отсчитывания по шкале стрелочного прибора невооруженным глазом составляет 0,1 мм. И
чем меньше длина шкалы, тем больше цена ее деления, и тем больше абсолютная погрешность отсчитывания значения измеряемой величины.
Например, если длина шкалы вольтметра в пределах одного мелкого деления равна 1 мм, то при цене его 10 В абсолютная погрешность отсчитывания
составляет 10·0,1 = 1 В, а цене деления 1 В — соответственно 1·0,1 = 0,1 В.
Для уменьшения этой погрешности увеличивают длину шкалы стрелочного прибора и уменьшают цену мелкого деления шкалы (увеличивают чувствительность прибора).
12
Погрешность от параллакса — составляющая погрешности отсчитыва-
Глаз наблюдателя
Стекло шкалы
Шкала
Стрелочный указатель
*
ΔА
ΔА
ния, происходящая вследствие неточного визирования стрелки указателя, расположенной на некотором расстоянии от поверхности шкалы прибора
(рис. 2.1).
Рис. 2.1. Погрешность от параллакса
Как видно из рис. 2.1, чем меньше угол отсчитывания показания, образуемый линией, проведенной между глазом наблюдателя и стрелочным указателем до пересечения со шкалой, и линией шкалы, тем больше абсолютная погрешность ΔА отсчитывания измеряемой величины.
Поправка — значение величины, одноименной с измеряемой, прибавля-
емое к полученному при измерении значению величины с целью исключения
систематической погрешности.
Точность измерений — качество измерений, отражающее близость их
результатов к истинному (действительному) значению измеряемой величины.
Количественно точность может быть выражена разностью: 100% — погрешность, %, или разностью: 1,0 — погрешность, о. е.
Пример. Если модуль погрешности измерения величины составляет 0,5%,
или 5·10
или 1,0 – 5·10
-3
о. е., то точность измерения этой величины равна 100% – 0,5% = 99,5%,
-3
= 0,995 о. е.
13
3. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
д
ААА −=∆
100
д
А
А
А
∆
±=δ
%3,2100
87
2
−=
−
=δ
V
−+±=δ 1
к
А
A
dc
А
Рассмотрим основные понятия, характеризующие погрешность измерительных приборов (инструментальную погрешность).
Абсолютная погрешность измерительного прибора — разность между
показанием прибора и действительным значением измеряемой величины:
, (3.1)
где А, А
величины.
U
= 85 В; действительное значение напряжения Uд = 87 В. Абсолютная по-
V
грешность вольтметра
абсолютной погрешности измерительного прибора к действительному значению измеряемой величины:
— соответственно измеренное и действительное значения измеряемой
д
Пример 1. Измеренное вольтметром напряжение в электрической цепи
ΔU
= UV – U
V
Относительная погрешность измерительного прибора — отношение
= 85 – 87= – 2 В.
д
. (3.2)
Пример 2. По данным примера 1, относительная погрешность вольтметра:
.
Примечание. За действительное значение измеряемой величины, как пра-
вило, принимают значение, измеренное с максимально возможной точностью.
Относительная погрешность в общем случае состоит из постоянной составляющей (с), не зависящей от измеряемой величины (аддитивная погрешность), и переменной составляющей (d·А), зависящей от измеряемой величины
(мультипликативная погрешность), и может быть записана равенством
, (3.3)
где А
прибора (верхний предел шкалы).
— конечное значение диапазона измерений по шкале измерительного
к
14
Пример 3. Вольтметром с пределом шкалы Uк = 300 В измерено напряже-
%.3,01
150
300
1,02,0 ±=
−+±=δ
V
с
А
±=δ
100
н
А
А
А
∆
±=γ
%.2100
100
2
100
н
±=±=
∆
±=γ
U
U
V
V
0
Ак
Ан =Ак
а
Ак1
Ак2
Ан =Ак2-Ак1
б 0 Ак2
Ан =max{ А
, А
}
в
Ак1
ние 150 В; c/d = 0,2/0,1. Определим относительную погрешность измерения
напряжения по формуле (3.3):
Для ряда измерительных приборов, например, приборов магнитоэлектрической системы, относительная погрешность имеет постоянное значение по всей длине шкалы, т. е.
. (3.4)
Приведенная погрешность измерительного прибора — отношение аб-
солютной погрешности измерительного прибора к нормирующему его значению А
:
н
. (3.5)
Нормирующим называют условно принятое значение, характеризующее
зависимости от содержания конечных отметок, верхний предел шкалы
(рис. 3.1, а), диапазон измерений величины (рис. 3.1, б), большее значение
верхнего предела шкалы при нулевой отметке, расположенной внутри шкалы
прибора (рис. 3.1, в).
к1
к2
Рис. 3.1. Варианты нормирующих значений измерительного прибора
Пример 4. По условиям примера 1 определить приведенную погрешность
измерения напряжения в электрической цепи вольтметром с нормирующим
значением напряжения U
= 100 В.
н
Решение:
Формулы (3.2) и (3.5) связаны соотношением
15
д
н
н
н
н
100
А
А
А
А
А
А
АА
γ±=⋅⋅
∆
±=γ
, (3.6)
нд
АА =
,100
н
max
max
⋅
∆
±=γ
U
U
А
из которого следует вывод: относительная погрешность измерительного прибора, как правило, больше его приведенной погрешности и равна приведенной
погрешности только при выполнении условия
, (3.7)
т. е. когда при измерении физической величины стрелочный указатель устанав-
ливается на отметке А
Максимальная приведенная погрешность измерительного прибора —
приведенная погрешность измерительного прибора, вычисляемая по формуле
где ΔА
мерительного прибора, используемого в нормальных условиях.
погрешности измерительного прибора, вызванное отклонением одной из влияющих величин от нормального значения (например, дополнительная погрешность вольтметра выпрямительной системы, обусловленная отклонением частоты измеряемого напряжения от заданного в паспорте прибора диапазона).
наибольшая без учета знака погрешность измерительного прибора, при которой
прибор может быть признан годным и допущен к применению.
ра, отражающее близость к нулю его погрешностей.
ка измерительного прибора, определяемая пределами допустимых основной и
дополнительных погрешностей, а также другими свойствами прибора, влияющими на точность, значения которых устанавливают в стандартах на отдельные
виды приборов.
(ГОСТ 8.401-80) и устанавливается из следующего ряда чисел: 1·10
2·10
ров — 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 4,0.
только выполняют функции индикаторов.
— максимальная абсолютная погрешность измерительного прибора.
max
Основная погрешность измерительного прибора — погрешность из-
Дополнительная погрешность измерительного прибора — изменение
Предел допускаемой погрешности измерительного прибора —
Точность измерительного прибора — качество измерительного прибо-
Класс точности измерительного прибора — обобщенная характеристи-
Класс точности измерительных приборов регламентируется стандартом
n
; 2,5·10n; 4·10n, для n = 1; 0; -1; -2.
Наиболее широко применяемые классы точности измерительных прибо-
Как правило, измерительные приборы с классом точности хуже ±4,0
шкалы прибора.
н
(3.8)
n
; 1,5·10n;
16
4. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
AS ⋅=α
ипип
ип
α
ип
S
,
из
ип
A
l
S
∆
∆
=
.дел/В2
10
20
==
V
S
ип
ип
1
СS=
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Измерительные приборы, независимо от их принципа действия, имеют
следующие характеристики:
1. Градуировочная характеристика, показывающая зависимость между
значениями величин на выходе и входе измерительного прибора и представленная в виде формулы, графика, таблицы.
Пример. Градуировочная характеристика измерительного прибора элек-
тромеханической системы:
, (4.1)
где
измерительного прибора.
ния сигнала на выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению
измеряемой величины:
где Δl, ΔА
прибора и изменение измеряемой величины.
мелких делений (Δl = 20) при изменении значения измеряемого в электрической цепи напряжения на 10 В (ΔU
— угол поворота стрелочного указателя;
2. Чувствительность измерительного прибора — отношение измене-
(4.2)
— соответственно изменение сигнала на выходе измерительного
из
Пример. Стрелочный указатель вольтметра переместился на двадцать
= 10 В).
V
Определить чувствительность вольтметра.
Используя формулу (4.2), получаем:
— чувствительность
Примечание. Чувствительность стрелочного измерительного прибора
можно определить по градуировке его шкалы. Например, если разность между
двумя соседними отметками шкалы амперметра равна 1 А, и на этом отрезке
шкалы 5 мелких делений, то чувствительность амперметра составит 5 дел/А.
3. Постоянная (цена деления шкалы) измерительного прибора — ве-
личина, обратная чувствительности прибора, вычисляемая по формуле
. (4.3)
17
Примеры. Постоянная вольтметра для SV = 2 дел/В:
.В/дел5,0
2
11
===
V
V
S
С
.Вт/дел2,0
5
11
===
W
W
S
С
Постоянная ваттметра для S
= 5 дел/Вт:
W
4. Класс точности измерительного прибора. Приводится в паспорте и
указывается на шкале прибора.
5. Активная мощность на входных зажимах измерительной цепи
прибора, формируемая при предельных режимах измерения величины. Указы-
вается в паспорте измерительного прибора.
6. Степень равномерности шкалы для измерительных приборов со
стрелочными указателями. При прочих равных условиях предпочтительнее
пользоваться для измерений физической величины прибором с равномерной
шкалой.
7. Влияние внешних магнитных (электрических) полей на режим работы измерительного преобразователя прибора.
Внешние магнитные (электрические) поля негативно влияют на режим
работы измерительных преобразователей приборов, увеличивая погрешность
измерений физической величины. Это влияние компенсируется собственными
магнитными (электрическими) полями приборов, возникающими при выполнении измерений.
Измерительные приборы, создающие слабые собственные магнитные
(электрические) поля, компенсируют действие внешних нолей недостаточно,
и если не принимать соответствующих мер, то не обеспечивается заданный
класс точности приборов, а это приводит к некорректности измерительной
информации.
8. Значение сопротивления измерительной цепи приборов, измеряющих напряжение. Это сопротивление называют входным сопротивлением вольтметров. Чем больше входное сопротивление, тем меньше расходуется электрической энергии и тем меньше методическая погрешность измерения напряжения.
Наибольшим входным сопротивлением обладают вольтметры электростатической системы (сотни МОм), а наименьшим — вольтметры других электромеханических систем (десятки кОм).
9. Перегрузочная способность измерительных цепей приборов элек-
тромеханических систем.
По компоновке измерительных цепей приборы электромеханических си-
стем можно подразделить на две группы:
18
А. Приборы, измерительные цепи которых подключают к внешним элек-
№
п/п
Системы измерительных приборов
и их метрологические свойства
Условные
обозначения
1.
Магнитоэлектрическая
3.
Электромагнитная
4.
Динамическая
5.
Индукционная
трическим цепям через тормозные безынерционные пружины, называемые в
этом случае токоподводящими пружинами (например, измерительные приборы
магнитоэлектрической системы).
Б. Приборы, в измерительных цепях которых не используются тормозные
пружины (например, приборы электромагнитной системы).
Тормозные пружины делаются из упругого материала, обладают большим электрическим сопротивлением и являются слабым звеном измерительной
цепи, если используются для подключения прибора к электрической сети. Поэтому приборы с токопроводящими тормозными пружинами имеют небольшую
перегрузочную способность по току нагрузки, являющемуся и измерительным
током цепи.
Таблица 4.1
Условные обозначения, наносимые на шкалы
электроизмерительных приборов электромеханических систем
1.1. С подвижной рамкой
1.2. С подвижным магнитом
2. Выпрямительная
3.1. Неполяризованная
3.2. Поляризованная
4.1. Электродинамическая
4.2. Ферродинамическая
5.1. Индукционная
5.2. Магнитоиндукционная
19
№
п/п
Системы измерительных приборов
и их метрологические свойства
Условные
обозначения
6.
Тепловая
6.1. С нагреваемой проволокой
6.2.
Биметаллическая
11.
Постоянный ток
12.
Переменный ток
Класс точности, заданный максимальной приведенной
погрешностью, например, ±1,5%
Класс точности при нормировании погрешности в процентах
длины шкалы, например ±1,5%
Класс точности при постоянной относительной погрешности,
например с = ±0,5%
Класс точности при относительной погрешности, возрастающей
например δА = ±[0,02+0,01(Ак/А–1)], %
0,5
7. Электростатистическая
8. Вибрационная
Защита от внешних магнитных полей
9.
(1 категория защищенности)
10. Защита от внешних электрических полей
Окончание табл. 4.1.
13. Трехфазный ток
14.
15.
16.
17.
18. Вертикальное положение шкалы
19.
20.
21. Генераторный зажим измерительной цепи
22. Зажим, соединенный с корпусом измерительного прибора
с уменьшением значения измеряемой величины,
Наклонное положение шкалы под углом к горизонту,
например 60°
Измерительная цепь изолирована от корпуса и испытана
напряжением, например 2 кВ
1,5
0,02/0,01
23. Зажим для заземления корпуса измерительного прибора
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]