ГЛАВА 11. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ
§11.1. Сущность и значение электрических измерений
Для измерения электрических и магнитных величин служат электроизмерительные приборы: амперметры, вольтметры, гальванометры и др., а также их комбинации.
Процесс измерения состоит в сравнении измеряемой физической величины с ее значением, принятым за единицу.
Измерение одной величины можно заменить измерением другой, с ней связанной. Как правило, всякое измерение в конечном счете сводят к измерению перемещения стрелки или светового пятна на шкале.
Измерительная аппаратура разделяется на измерительные приборы и эталоны. Измерительные приборы обладают высокой точностью и надежностью работы,
возможностью автоматизации процесса измерений и передачи показаний на дальние расстояния, простотой ввода результатов измерений в электрические вычислительные устройства и т. д.
Поэтому они широко используются в системах ручного или автоматического контроля и поддержания на заданном уровне параметров промышленных установок и технологических процессов.
С помощью измерительных устройств контролируются качество и количество выпускаемой продукции, соответствие ее характеристик установленным нормам. Разработаны и применяются электрические измерители влажности, температуры, давления и т. д.
Первостепенную роль электрические измерения играют в научных исследованиях. Установки, используемые в ядерной физике, наземные и бортовые измерительные комплексы для запуска и контроля параметров космических кораблей, сложные эксперименты с живой материей в медицине и биологии неосуществимы без совершенной электроизмерительной техники.
Карточка № 11.1 (275).
Сущность и значение электрических измерений
Что такое электрические измерения? |
|
Сравнение измеряемой величины с ее |
194 |
|||||
|
|
|
|
значением, принятым за единицу |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Способ оценки физических величин |
|
227 |
||
|
|
|
|
Измерения величин, характеризующих |
183 |
|||
|
|
|
|
электрические и магнитные явления |
|
|
||
Какой |
прибор используется для измерения |
Амперметр |
|
|
204 |
|||
электрической мощности? |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вольтметр |
|
|
215 |
|||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
Ваттметр |
|
|
238 |
|
|
|
|
|
Счетчик |
|
|
172 |
|
Какие |
достоинства |
характерны |
для |
Высокая точность и надежность |
|
131 |
||
электроизмерительных приборов? |
|
Возможность передачи |
показаний |
на |
152 |
|||
|
|
|
|
дальние расстояния |
|
|
|
|
|
|
|
|
Удобство сопряжения с ЭВМ |
|
101 |
||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Все перечисленные достоинства |
|
121 |
||
|
|
|
|
|
||||
Где применяются электроизмерительные приборы? |
Для |
контроля |
параметров |
21 |
||||
|
|
|
|
технологических процессов |
|
|
||
|
|
|
|
Для контроля параметров космических |
81 |
|||
|
|
|
|
кораблей |
|
|
|
|
|
|
|
|
Для |
экспериментальных исследований |
11 |
||
|
|
|
|
в физике, химии, биологии и др. |
|
|
||
|
|
|
|
Во всех перечисленных областях |
|
71 |
||
|
|
|
|
|
||||
Вспомните основные единицы в СИ |
|
Метр, килограмм, секунда, ампер |
|
162 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Сантиметр, грамм, секунда, ампер |
|
91 |
||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Метр, килограмм, секунда, вольт |
|
51 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Все перечисленные |
|
|
41 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Карточка № 11.2 (198)
Основные единицы электрических и магнитных величин в международной системе единиц
Какое число основных единиц не может быть |
1 |
|
|
|
60 |
||
выбрано нив одной системе? |
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
50 |
||
|
|
|
7 |
|
|
|
151 |
|
|
|
Превышающее |
число |
физических |
120 |
|
|
|
|
величин |
|
|
|
|
К чему приводит увеличение числа |
основных |
К усложнению расчетов по формулам |
90 |
||||
единиц? |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
К появлению в формулах большого числа |
20 |
||||
|
|
|
|||||
|
|
|
числовых коэффициентов |
|
|
||
|
|
|
К увеличению затрат на создание и |
80 |
|||
|
|
|
хранение эталонов |
|
|
||
|
|
|
Ко всем перечисленным последствиям |
171 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
Сколько основных единиц используется |
при |
2 |
|
|
|
100 |
|
электрических измерениях в СИ? |
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
162 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
40 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
|
|
|
70 |
|
|
|
|
|
|
|
||
Можно ли выбрать в качестве основной единицу |
Можно |
|
|
|
10 |
||
абсолютной магнитной проницаемости? |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Нельзя |
|
|
|
240 |
|
|
|
|
|
|
|
||
Почему в качестве единицы массы выбрана масса |
Потому |
что |
отмерить |
кубический |
152 |
||
гири, хранящейся во Франции, а |
не |
масса |
дециметр воды с необходимой точностью |
|
|||
кубического дециметра воды? |
|
|
невозможно |
|
|
|
|
|
|
|
Потому |
что |
погрешности |
измерения |
101 |
|
|
|
температуры сказались бы на единице |
|
|||
|
|
|
массы |
|
|
|
|
|
|
|
Потому что сложно изолировать воду от |
11 |
|||
|
|
|
внешних воздействий (примесей и др.) |
|
|||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
По всем перечисленным выше причинам |
121 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
§11.3. Производные и кратные единицы
Используя выбранные основные единицы, можно определить производные единицы других электрических и магнитных величин. Для этого нужно подобрать по возможности простое математическое выражение, связывающее одну физическую величину с несколькими или всеми основными величинами.
Например, по определению, dq=idt, где q — электрический заряд; i — сила тока; t — время. Вспоминая, что сила тока выражается в амперах, а время — в секундах, устанавливаем, что единицей электрического заряда служит произведение ампер на секунду. Эту единицу называют кулоном: [Кл]=[А]•[с].
Одна из важнейший электрических величин — напряжение. Напряжение выражается в вольтах (В). И хотя вольт — производная единица, через нее довольно часто выражают другие производные единицы; так, единица полной мощности — вольт-ампер (В•А), единица напряженности электрического поля — вольт, деленный на метр (В/м) и т. д.
Чтобы выразить единицу напряжения через основные единицы, вспомним, что
электрическое напряжение равно работе сил электрического поля при переносе точечного тела с зарядом 1Кл из одной точки поля в другую: U=A/Q, где U — напряжение; А — работа; Q — заряд.
Широкое применение в электротехнике и электронике находят кратные единицы, связанные с основными и производными единицами постоянным множителем. Множитель может
быть как больше, так и меньше единицы. Этим множителям присвоены специальные наименования: 10-12— пико (п), 10-9— нано (н), 10-6 — микро (мк), 10-3 — милли (м), 103 — кило (к), 106 — мега (М), 109 —гига (Г), 1012 — тера (Т). Например, Запись 10 нФ означает, что речь
идет о десяти миллиардных долях фарада.
|
|
|
Карточка № 11.3 (241). |
|
|
|
|
|
|
|
Производные и кратные единицы |
|
|
||||
Размерность |
вольт |
известна. |
Какое выражение |
p |
(2х) |
» |
2 |
249 |
целесообразно использовать для определения единицы |
|
3х(pi-1)/[2(ln x)(pi-2)] |
|
|||||
E=F/Q |
|
237 |
||||||
напряженности электрического поля? |
|
|||||||
|
|
|
|
U=El |
|
193 |
||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
E=Q/(4peаR2) |
|
214 |
||
Выразить единицу электрической емкости через единицы |
Ф=A2×с4(кг×м2) |
|
226 |
|||||
заряда и напряжения |
|
|
|
|
|
|||
|
|
Ф=Кл/В |
|
225 |
||||
Закон Кулона: F=Q1Q2/(4peаR2) |
|
Имеет |
|
247 |
||||
Имеет ли размерность абсолютная диэлектрическая |
|
|
||||||
Нет, это безразмерная величина |
248 |
|||||||
проницательность среды в СИ? |
|
|
|
|
|
|
||
Перевести в амперы 200 нА |
|
0,2А |
|
|
182 |
|||
|
|
|
|
0,002А |
|
181 |
||
|
|
|
|
0,00002А |
|
140 |
||
|
|
|
|
0,0000002А |
|
141 |
||
Перевести в вольты 0,15MB |
|
1500000В |
|
161 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
15000000В |
|
110 |
||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
150000В |
|
130 |
||
|
|
|
|
15000В |
|
30 |
||
§11.4. Основные методы электрических измерении. Погрешности измерительных приборов
Существует два основных метода электрических измерений: метод непосредственной оценки и метод сравнения. В методе непосредственной оценки измеряемая величина отсчитывается непосредственно по шкале прибора. При этом шкала измерительного прибора предварительно градуируется по эталонному прибору в единицах измеряемой величины. Как правило, такая градуировка производится на заводе при изготовлении прибора. Достоинства этого метода — удобство отсчета показаний прибора и малая затрата времени на операцию измерения.
Метод непосредственной оценки широко применяется в различных областях техники для контроля и регулирования технологических процессов, в полевых условиях, на подвижных объектах и т. д. Недостаток метода — сравнительно невысокая точность измерений.
В методе сравнения измеряемая величина сравнивается непосредственно с эталоном, образцовой или рабочей мерой. В этом случае точность измерений может быть значительно повышена. Метод сравнения используется главным образом в лабораторных условиях, он требует сравнительно сложной аппаратуры, высокой квалификации операторов и значительных затрат времени. В последнее время в аппаратуре сравнения все шире внедряется автоматизация.
Электроизмерительные приборы непосредственной оценки позволяют отсчитать числовое значение измеряемой величины на шкале или цифровом устройстве прибора.
Практика показывает, что при всяком измерении непрерывной величины неизбежна некоторая погрешность — разница между измеренным Аиз и действительным А значениями измеряемой величины: =Аиз—А. Эту разницу называют абсолютной погрешностью измерения. Она определяется систематическими и случайными погрешностями прибора, а также ошибками оператора.
Систематические погрешности изменяются по определенному закону и возникают вследствие факторов, которые могут быть учтены: влияние внешних условий (температура, радиация, электромагнитные поля), несовершенство метода измерения, несовершенство измерительного прибора.
Случайные погрешности возникают вследствие факторов, которые не поддаются непосредственному учету. Оценку случайных погрешностей можно произвести только при очень большом числе повторяющихся измерений, используя методы теории вероятностей.
Ошибки оператора (в записи, в определении цены деления прибора и др.), обычно легко
выявляемые в ряду наблюдений по значительным отклонениям результата измерения от средних или примерно ожидаемых значений, исключают из записей и при обработке результатов измерения не учитывают.
Для более полной характеристики измерений вводят понятие относительной погрешности измерения d:
δ= Аиз - А ×100 = D ×100% .
АА
Величины D и d характеризуют точность измерения. Во многих случаях возникает необходимость охарактеризовать точность прибора. Для этой цели вводится понятие приведенной погрешности измерения:
γ = DА ×100%
где Аmax — максимальное значение шкалы прибора, т. е. предельное значение измеряемой величины.
Наибольшая приведенная погрешность определяет класс точности прибора. Если, например, класс точности амперметра равен 1,5, то это означает, что наибольшая приведенная погрешность g=±1,5%. Если прибор рассчитан на измерение токов до 15А, то абсолютная
погрешность измерения этим прибором составит
D = Аmax 100γ =151001,5 = 0,225A
Если указанным прибором измерить ток 10А, то относительная погрешность измерения не превысит 0,22510 ×100 = 2,25% , если тем же прибором измерить ток 1А, то относительная
погрешность измерения не превысит 0,2251 ×100 = 22,5% .
Этот пример показывает, что при точных измерениях прибор следует подбирать так, чтобы значение измеряемой величины приходилось на вторую половину шкалы.
Различают основную и дополнительную погрешности. Основные погрешности возникают при нормальных условиях работы, указанных в паспорте прибора и условными знаками на шкале. Дополнительные погрешности возникают при эксплуатации прибора в условиях, отличных от нормальных (повышенная температура окружающей среды, сильные внешние магнитные поля, неправильная установка прибора и др.).
Карточка №11.4 (181)
Основные методы электрических измерений. Погрешности измерительных приборов.
Какие методы измерения применяются: а) в |
а) Метод сравнения; |
б) метод |
142 |
|||
лабораториях для точных измерений; б) на |
непосредственной оценки |
|
|
|||
подвижных объектах? |
|
|
|
|
|
|
|
а) Метод непосредственной оценки; б) |
111 |
||||
|
|
|
||||
|
|
|
метод сравнения |
|
|
|
|
|
|
|
|||
Чем характеризуется точность измерения? |
Условиями эксперимента |
|
31 |
|||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
Качеством измерительного прибора |
61 |
||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
Относительной погрешностью измерения |
1 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Точностью отсчета |
|
195 |
|
В цепи протекает ток 20 А. |
|
а) 0,1 А; б) 0,1 А |
|
|
228 |
|
Амперметр показывает 20,1 А. Шкала прибора 0— |
|
|
|
|
||
а) 0,5%; б) 0,2% |
|
|
184 |
|||
50А. Установить: а) точность измерения; б) |
|
|
|
|||
а) 0,05 А; б) 0,02 А |
|
205 |
||||
точность прибора |
|
|
|
|
|
|
|
а) 5%; б) 0,2% |
|
|
216 |
||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||
Класс точности прибора 1,0. Чему равна |
1 |
|
|
239 |
||
приведенная погрешность прибора? |
|
|
|
|
||
1,5 |
|
|
173 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1% |
|
|
132 |
Шкала амперметра 0—50 А. Прибором измерены |
Задача не определена, так как неизвестен |
153 |
||||
токи: а) 3 А; б) 30 А. Какое |
из измеренных |
класс точности прибора |
|
|
||
значений точнее? |
|
|
|
|
|
|
|
Первое |
|
|
102 |
||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Второе |
|
|
122 |
|
|
|
|
|
|
|
§11.5. |
Классификация |
электроизмерительных |
приборов. |
Условные |
||
обозначения на шкале |
|
|
|
|
|
|
Электроизмерительные приборы классифицируются по различным признакам.
В зависимости от основной приведенной погрешности электроизмерительные приборы разбиты на классы точности. Класс точности указывается на шкале прибора и обозначает наибольшую приведенную погрешность в процентах.
Т а б л и ц а 1 1 . 1
1,5 |
Класс точности 1,5 |
Постоянный ток
Переменный (однофазный) ток
Постоянный и переменный токи
Трехфазный ток
Прибор магнитоэлектрической системы
Прибор электромагнитной системы
Прибор электродинамической системы
Прибор индукционной системы
Прибор устанавливается горизонтально; вертикально; под углом 60°
Изоляция прибора испытана при напряжении 2 кВ
Для закрытых отапливаемых помещений
Для закрытых неотапливаемых помещений
Для полевых и морских условий
В зависимости от принципа действия имеются следующие наиболее употребительные системы приборов: магнитоэлектрическая; электромагнитная; электродинамическая; термоэлектрическая; индукционная; электростатическая; тепловая; электронная.
По роду измеряемой величины электроизмерительные приборы делятся на: вольтметры (для измерения напряжения и ЭДС); амперметры (для измерения силы тока); ваттметры (для измерения электрической мощности); счетчики (для измерения электрической энергии); омметры, мегаомметры (для измерения электрического сопротивления); частотомеры (для измерения частоты переменного тока); фазометры (для измерения угла сдвига фаз).
По роду тока различают электроизмерительные приборы постоянного тока, переменного тока и комбинированные.
По способу установки различают щитовые приборы, предназначенные для монтажа на приборных щитах и пультах управления, и переносные приборы.
На шкалу электроизмерительного прибора наносятся условные обозначения, основные из которых приведены в табл. 11.1