1. Общие сведения об электрических измерениях Определения и классификация средств измерений

Электрические измерения и единицы физических величин. За­дачей электрических измерений является нахождение значений физических величин опытным путем с помощью специальных электротехнических средств и выражение этих значений в при­нятых единицах.

Физическая величина - свойство, общее в качественном отноше­нии многим физическим объектам или физическим системам, их со­стояниям и происходящим в них процессам. Электрическое сопро­тивление тела, напряженность электрического поля, масса, время и др. - все это физические величины.

Размер единицы величины, вообще говоря, может быть любым. Однако измерения должны выполняться в общепринятых единицах. Такие единицы устанавливаются в каждой стране особым законода­тельством с учетом рекомендаций международных организаций.

В СССР с 1 января 1963 г. введена Международная система еди­ниц (СИ)¹

Основными единицами СИ являются: метр (м) - единица длины, килограмм (кг) - единица массы, секунда (с) - единица времени, ампер (А) - единица силы тока, кельвин (К) - единица термодина­мической температуры, моль (моль) - единица количества веще­ства, кандела (кд) - единица силы света. Дополнительные еди­ницы: радиан (рад) - единица плоского угла, стерадиан (ср) - единица телесного угла.

Производные единицы Международной системы образуются из основных и дополнительных единиц при помощи определяющих уравнений в соответствии с принципами построения систем единиц. Внесистемные единицы, допускаемые к применению, устанавлива­ются стандартами на единицы по отдельным областям измерений.

Международная система единиц (СИ) является универсальной, так как охватывает все области измерений, и когерентной, т. е. та­кой системой, в которой производные'единицы всех величин могут "быть получены с помощью определяющих уравнений с численными коэффициентами, равными единице. Кроме того, как основные единицы, так и подавляющее большинство производных единиц системы СИ по своему размеру удобны для практического их при­менения. Значительное число единиц СИ: метр, килограмм, се­кунда, ампер, вольтидр. получили широкое распространение за­долго до ее введения. Необходимость перехода к Международной системе единиц диктовалась требованиями повышения точности из­мерений, унификации и уточнения единиц физических величин.

Виды средств электрических измерений. Средствами электри­ческих измерений называют технические средства, используемые при электрических измерениях и имеющие нормированные метро­логические характеристики. Различают следующие виды средств электрических измерений:

- меры;

- электроизмерительные приборы;

- измерительные преобразователи;

- электроизмерительные установки;

- измерительные информационные системы.

Мерами называют средства измерений, предназначенные для вос­произведения физической величины заданного размера. Различают однозначные меры, многозначные меры и наборы мер.

Однозначная мера воспроизводит физическую величину одного размера; многозначная мера воспроизводит ряд одноименных вели­чин разного размера. Примером многозначных мер может служить конденсатор переменной емкости, вариометр для плавного измене­ния индуктивности и др. Набор мер представляет собой специа­льно подобранный комплект мер, применяемых не только по от­дельности, но и в различных сочетаниях с целью воспроизведения ряда одноименных величин различного размера. Примерами набора мер являются магазины сопротивлений, емкостей и др.

Электроизмерительными приборами 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. Они весьма разно­образны по своему принципу действия и конструктивному оформле­нию вследствие различных требований, предъявляемых к ним. Элек­троизмерительные приборы могут быть классифицированы по раз­личным признакам.

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

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 допускает считывание и регистрацию показании в той или иной форме или только регистра­цию, все приборы могут быть разделены на две группы: показыва­ющие приборы и регистрирующие приборы.

Если регистрирующий измерительный прибор дает запись пока­заний в форме диаграммы, то такие приборы называют самопишу­щими.

Регистрирующий измерительный прибор, в котором предусмот­рено печатание показаний в цифровой форме, называют печатающим прибором.

Электроизмерительные приборы, показания которых функцио­нально связаны с суммой двух или нескольких величин, подво­димых к ним по различным каналам, называют суммирующими. Примером суммирующего прибора может служить ваттметр, пред­назначенный для измерения суммарной мощности нескольких гене­раторов.

Широкое распространение получили так называемые интегрирую­щие приборы, в которых измеряемая величина интегрируется по времени или по другой независимой переменной. Примером может служить электрический счетчик энергии.

Для получения результата измерения физической величины в принятых единицах обязательно должна участвовать мера. Элек­троизмерительный прибор может быть заранее градуирован в еди­ницах измеряемой величины, т. е. мера заранее используется в про­цессе изготовления прибора.

Существуют приборы, предназначенные для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно. Такие электроизмерительные приборы называют прибо­рами сравнения. Примерами приборов сравнения являются мосты, потенциометры и др.

В приборах сравнения и некоторых других для установления отсутствия тока в каком-либо участке цепи или равенства напряже­ний на каких-либо участках цепи применяются приборы, получив­шие название нуль-индикаторов. Примерами нуль-индикаторов мо­гут быть гальванометры или электронные устройства, выдающие импульс тока (или прекращающие выдачу импульсов) при равен­стве двух напряжений, подводимых к их входам.

Дальнейшие разделения приборов по конструктивным и функ­циональным признакам представляют собой параллельные класси­фикации.

Укажем некоторые примеры.

По характеру применения различают следующие приборы:

1. стационарные, т. е. такие, корпуса которых приспособлены для жесткого крепления на месте установки;

2. переносные, т. е. такие, корпуса которых не предназначены для жесткого крепления на месте установки.

В зависимости от степени защищенности приборы бывают обык­новенными, пыле-, водо-, брызгозащищенными, герметическими и др.

По роду измеряемой величины приборы делятся на амперметры - для измерения тока; вольтметры - для измерения напряжения; омметры - для измерения сопротивления и т.п.

Кроме указанных классификаций, существуют и другие; они бу­дут рассмотрены ниже.

Измерительными преобразователями называют средства электри­ческих измерений, предназначенные для выработки сигнала измери­тельной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

В зависимости от вида измеряемых величин измерительные пре­образователи делятся на две группы:

1. преобразователи электрических величин в электрические же величины;

2. преобразователи неэлектрических величин в электрические.

К преобразователям электрических величин в электрические относятся шунты, делители напряжения, измерительные трансфор­маторы и другие устройства. Применение преобразователей позво­ляет изготовлять приборы на разные пределы измерений, произво­дить измерения относительно больших токов и напряжений прибо­рами, имеющими меньшие пределы измерений и т.д. К преобразо­вателям электрических величин в электрические же величины отно­сятся многочисленные преобразователи, предназначенные для по­лучения сигналов измерительной информации в форме, удобной для ее передачи, преобразования, обработки и хранения. Примерами подобного рода преобразователей являются преобразователи изме­ряемых электрических величин в код, который может быть использован для передачи измерительной информации по каналам связи или для введения в электронные вычислитель­ные машины для последующей обработки по заданной программе или для представления измерительной информации в цифровой форме.

Преобразователи неэлектрических величин в электрические пред­ставляют собой обширную группу преобразователей, применяемых при электрических измерениях неэлектрических величин. Примером могут служить различные терморезисторы, индуктивные пре­образователи, при помощи которых измеряемая неэлектрическая величина (температура, давление и др.) отображается электриче­ской величиной (электрическое сопротивление, индуктивность и др.), находящейся в определенной функциональной зависимости от изме­ряемой неэлектрической величины.

Некоторые виды измерительных преобразователей иногда назы­вают датчиками², под которыми понимают конструктивную совокуп­ность одного или нескольких измерительных преобразователей и сопутствующих им конструктивных элементов, размещаемых непосред­ственно на объекте измерения и удаленных от места отображения, регистрации или обработки измерительной информации. Примерами могут служить датчики кровяного давления космонавта, датчики температуры контролируемого объекта и другие.

Электроизмерительной установкой называется совокупность функционально и конструктивно объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенных для рациональной организации измерений. Измерительная установка позволяет пре­дусмотреть определенный метод измерения и заранее оценить по­грешности измерений.

Измерительные информационные системы (ИИС) представляют собой совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенную для автоматического сбора измерительной ин­формации от ряда источников с многократным (например, пооче­редным) использованием одних и тех. же преобразователей сигна­лов* несущих измерительную информацию, передачи измеритель­ной информации на те или иные расстояния по каналам связи и представления ее в том или ином виде.

Под каналом связи понимается совокупность технических средств, обеспечивающих передачу информации от передатчика ин­формации к приемнику.

Как следует из определения ИИС, основными их отличиями от других средств измерений является автоматический сбор измери­тельной информации от ряда источников и многократное использо­вание преобразователей сигналов. Задачи, выполняемые ИИС, могут быть решены и применением других видов средств измерений, например измерительных приборов, индивидуальных для каждой измеряемой величины. Однако использование одних и тех же изме­рительных преобразователей в ряде каналов ИИС, по сравнению с решением задачи посредством приборов, обеспечивает сущест­венные технико-экономические преимущества ИИС, что особенно важно при значительном числе измеряемых величин. Помимо ИИС, применяют сложные комплексы, например измерительно-вычислительные, измерительно-управляющие и др.

ИИС могут быть разделены на две группы:

1. Измерительные системы - системы, предназначенные для вы­полнения указанных выше функций с представлением измеритель­ной информации в форме, удобной для наблюдения или регистра­ции.

2. Системы автоматического контроля (контрольно-измеритель­ные системы) - системы, предназначенные для получения информа­ции об отклонениях значений контролируемых величин от установ­ленных номинальных. Например, отклонения температуры различ­ных точек объекта от заданных значений.

Измерительные информационные системы могут применяться как на территории какого-либо объекта, так и с передачей измеритель­ной информации с объекта на принимающий пункт по каналам связи: воздушным или кабельным линиям связи или радиоканалам. В этих случаях измерительные системы называют телеизмерительными си­стемами. Более подробно измерительные информационные системы рассмотрены ниже.