12.1. Общие сведения

Объектами электрических измерений являются все электрические и магнитные величины: ток, напряжение, мощность, энергия, магнитный поток и т. д.

Электроизмерительные устройства широко применяются и для измерения неэлектрических величин (температуры, давления и т. д.), которые для этой цели преобразуются в пропорциональные им электрические величины. Такие методы измерений известны под общим названием электрических измерений неэлектрических величин. Применение электрических методов измерений дает возможность относительно просто передавать показания приборов на дальние расстояния (телеизмерение), управлять машинами и аппаратами (автоматическое регулирование), выполнять автоматически математические операции над измеряемыми величинами, записывать (например, на ленту) ход контролируемых процессов и т. д.

По типу отсчетного устройства различают аналоговые и цифровые приборы. В аналоговых приборах измеряемая или пропорциональная ей величина непосредственно воздействует на положение подвижной части, на которой расположено отсчетное устройство. В цифровых приборах подвижная часть отсутствует, а измеряемая или пропорциональная ей величина преобразуется в числовой эквивалент, регистрируемый цифровым индикатором. Микропроцессоры позволяют существенно повысить производительность и точность измерительных приборов, придавая им дополнительные функции обработки результатов измерений.

Для исследования сложных объектов применяются автоматические измерительные системы, представляющие собой совокупность датчиков, измерительных и регистрирующих приборов, устройств их сопряжения (интерфейс) и управления.

12.2. Меры, измерительные приборы и методы измерения

Измерение любой физической величины заключается в ее сравнении посредством физического эксперимента с принятым за единицу значением соответствующей физической величины, называемой мерой. Такое сравнение возможно при помощи либо прибора сравнения, либо прибора непосредственного отсчета, называемого также показывающим прибором. В последнем случае измеряемая величина определяется по шкале прибора, для градуировки которой необходима мера.

В зависимости от того, как получаются результаты измерения, различают измерения прямые, косвенные и совокупные.

Если результат измерения непосредственно дает искомое значение исследуемой величины, то такое измерение принадлежит к числу прямых, например измерение тока амперметром.

Если измеряемую величину приходится определять на основании прямых измерений других физических величин, с которыми измеряемая величина связана определенной зависимостью, то измерение относится к косвенным, как, например, измерение сопротивления элемента электрической цепи при измерении напряжения вольтметром и тока амперметром. Следует иметь в виду, что при косвенном измерении возможно существенное снижение точности по сравнению с точностью при прямом измерении из-за сложения погрешностей прямых измерений величин, входящих в расчетные уравнения.

В ряде случаев конечный результат измерения выводится из результатов нескольких групп прямых или косвенных измерений отдельных величин, от которых зависит исследуемая величина. Такое измерение называют совокупным. Например, к совокупным измерениям относится определение температурного коэффициента электрического сопротивления материала на основании измерения сопротивления материала при различных температурах.

В зависимости от способа применения приборов и мер принято различать следующие основные методы измерения: непосредственный,

нулевой и дифференциальный.

При пользовании методом непосредственного измерения (или непосредственного отсчета) измеряемая величина определяется путем непосредственного отсчета показания измерительного прибора или непосредственного сравнения с мерой данной физической величины (измерение тока амперметром, измерение длины метром). В этом случае точность измерения определяется точностью показывающего прибора.

При измерении пулевым методом значение образцовой (известной) величины (или эффект ее действия) регулируется до равенства со значением измеряемой величины (или эффектом се действия), которое фиксируется измерительным прибором. Прибор должен быть высокой чувствительности, он именуется нулевым прибором или нуль-индикатором. Точность измерения нулевым методом очень высока и в основном зависит от точности образцовых мер и чувствительности нулевых приборов. Важнейшие среди нулевых методов электрических измерений — мостовые и компенсационные.

Еще большая точность может быть достигнута при дифференциальных методах измерения. В этих случаях измеряемая величина уравновешивается известной величиной не до полного равновесия, а путем прямого отсчета измеряется разность измеряемой и известной величин. Дифференциальные методы применяются для сравнения двух величин, значения которых мало различаются.

12.3. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ И КЛАССЫ ТОЧНОСТИ

Точность измерения характеризуется его возможными погрешностями. Эти погрешности при каждом конкретном измерении, не должны превышать некоторою определенного значения. В зависимости от способа числового выражения различают погрешности абсолютные и относительные, а применительно к показывающим приборам — еще и приведенные.

Абсолютная погрешность DА — это разность между измеренным А и действительным Л значениями измеряемой величины:

DА = А_из – А. Например, амперметр показывает А_из = 9 А, а действительное значение тока А = 8,9 А, следовательно, DA = 0,1 А.

Чтобы определить действительное значение величины, нужно к измеренному значению прибавить поправку — абсолютную погрешность, взятую с обратным знаком.

Точность измерения оценивается обычно не абсолютной, а относительной погрешностью — выраженным в процентах отношением абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины:

g₀ = (DА/А)·100%;

а так как разница между А и А_из обычно относительно мала, то практически в большинстве случаев можно считать, что g₀ = (DА/А_из)·100%. Для приведенного примера измерения тока относительная погрешность g0 = (0,1/9)·100% = 1,11%.

Однако оценивать по относительной погрешности точность показывающих приборов со стрелочным указателем неудобно. Дело в том, что абсолютная погрешность DА у них имеет обычно один и тот же порядок вдоль всей шкалы. При постоянной абсолютной погрешности DА с уменьшением измеряемой величины A_из быстро растет относительная погрешность (рис. 12.1). Поэтому рекомендуется выбирать пределы измерения показывающего прибора так, чтобы отсчитывать показания в пределах второй половины шкалы, ближе к ее концу.

Для оценки точности самих показывающих измерительных приборов служит их приведенная погрешность. Так называется выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности показания DА к А_ном — номинальному значению, соответствующему наибольшему показанию прибора:

g_пр = (DA/A_ном)·100%. (12.1)

Если в рассмотренном примере предел измерения амперметра A_ном = 10 А, то приведенная погрешность g_пр = (0,1/10)·100% = 1%.

Погрешности прибора обусловливаются недостатками самого прибора и внешними влияниями. Приведенная погрешность, зависящая лишь от самого прибора, называется основной погрешностью. Нормальные рабочие условия — это температура окружающей среды 20 °С (или та, которая обозначена на шкале прибора), нормальное рабочее положение прибора (указанное условным знаком на его шкале), отсутствие вблизи прибора ферромагнитных масс и внешних магнитных нолей (кроме земного) и прочие нормальные условия (номинальные:

напряжение, частота тока, синусоидальная форма кривой тока и т. д.).

Допускаемая основная погрешность электроизмерительного прибора определяет его класс точности. Обозначением класса точности служит допускаемая основная погрешность приборов, принадлежащих к этому классу: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4. Принадлежность прибора к определенному классу указывает, что основная погрешность прибора на всех делениях шкалы не превышает значения, определяемого классом точности этого прибора (например, у прибора класса 1 допускаемая основная погрешность 1%). Отклонение внешних условий от нормальных вызывает дополнительные погрешности.

В зависимости от чувствительности к внешним магнитным или электрическим полям электроизмерительные приборы делятся па две кате-

Таблица 12.1. Условные обозначения на шкалах электроизмерительных приборов

Прибор трехфазного тока для неравномерной нагрузки фаз

Прибор трехфазного тока с двухэлементным измерительным механизмом

Защита от внешних магнитных полей, например 2 мТл

Защита от внешних электрических полей, например 10 кВ/м

Класс точности при нормировании погрешности в процентах диапазона измерения, например 1,5

То же при нормировании погрешности в процентах длины шкалы, например 1,5

Горизонтальное положение шкалы Вертикальное положение шкалы

Наклонное положение шкалы под определенным углом к горизонту, например 60

Направление ориентировки прибора в магнитном поле Земли

Измерительная цепь изолирована от корпуса и испытана напряжением, например 2 кВ

Прибор испытанию прочности изоляции не подлежит

Осторожно! Прочность изоляции измерительной цепи по отношению к корпусу не соответствует нормам (знак выполняется красным цветом).

============================================

гории: I — приборы менее чувствительные и II — приборы более чувствительные.

Для правильного применения электроизмерительного прибора важны его технические особенности. Эти особенности указываются на шкале прибора условными обозначениями, приведенными в табл. 12.1.