Раздел 1. Основы метрологии.

1. Основные понятия и определения. Средства измерения.

Метрология наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способа достижения требуемой точности.

Измерением называется совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины.

Физическая величина – одно из свойств физического объекта, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого.

Средства измерения

Средства измерения - технические средства, используемые при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства.

По назначению средства измерения делят на образцовые и рабочие, причем по конструкции и метрологическим характеристикам они могут быть аналогичны.

Образцовые средства измерения запрещается применять для практических измерений, они предназначены для поверки по ним других средств измерений - как рабочих, так и образцовых более низкой точности.

Рабочие средства измерения есть средства, применяемые для измерений, не связанных с передачей размеров единиц физически» величин.

Быть уверенным в правильности показании рабочего средства измерений можно, только поверив его при помощи более точного образцового средства измерений. Поверку средства измерений, то есть определение погрешностей средства измерений и установление его пригодности к применению, проводят только органы метрологической службы, имеющие соответствующее разрешение.

К средствам измерений относятся меры, измерительные приборы, преобразователи, установки и системы, измерительные принадлежности.

Мера есть средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Мера, воспроизводящая физическую величину одного размера, называется однозначной, а воспроизводящая ряд одноименных величин различного размера - многозначной. Примеры однозначной меры - нормальный элемент (мера ЭДС), образцовая катушка (мера сопротивления), а многозначной - миллиметровая линейка, вариометр индуктивности, конденсатор переменной емкости, магазин сопротивлений.

Измерительный преобразователь - это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Преобразователи по месту, занимаемому в измерительной цепи, делятся на первичные, передающие и промежуточные. На вход первичного преобразователя воздействует непосредственно измеряемая величина, а промежуточный занимает в измерительной цепи место после первичного. Передающий преобразователь служит для дистанционной передачи измерительной информации и может быть в то же время первичным.

Для того чтобы изменить в определенное число раз значение одной из величин, действующих в измерительной цепи, без изменения ее физической природы, используют масштабные преобразователи (измерительные трансформаторы тока, усилители и т. п.).

Для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем, предназначен измерительный прибор.

Измерительный прибор состоит из ряда измерительных преобразователей, каналов связи, согласующих элементов, измерительного механизма, в совокупности образующих измерительную цепь. По способу образования показаний измерительные приборы делят на показывающие и регистрирующие.

Показывающий измерительный прибор допускает только отсчитывание показаний. Отсчитывают показания визуально по шкале средства измерений, относительно которой перемещается указатель отсчетного устройства, или по светящимся цифрам, возникающим на отсчетном устройстве в цифровых показывающих приборах.

Регистрирующий измерительный прибор содержит механизм регистрации показаний. Если в приборе предусмотрена запись показаний в форме диаграмм, то его называют самопишущим.

Измерительная установка представляет собой совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателя, и расположенных в одном месте. В качестве примера можно привести измерительные установки для поверки нормальных элементов.

Измерительная система в отличие от измерительной установки предназначена для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и использования в автоматической системе управления.

Для унификации единиц физических величин в международном масштабе создана Международная система единиц СИ.

Ампер, единица силы электрического тока, – одна из шести основных единиц системы СИ. Ампер – сила не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины с ничтожно малой площадью кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызывал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2Ч10-7 Н.

Вольт, единица разности потенциалов и электродвижущей силы. Вольт – электрическое напряжение на участке электрической цепи с постоянным током силой 1 А при затрачиваемой мощности 1 Вт.

Кулон, единица количества электричества (электрического заряда). Кулон – количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника при постоянном токе силой 1 А за время 1 с.

Фарада, единица электрической емкости. Фарада – емкость конденсатора, на обкладках которого при заряде 1 Кл возникает электрическое напряжение 1 В.

Генри, единица индуктивности. Генри равен индуктивности контура, в котором возникает ЭДС самоиндукции в 1 В при равномерном изменении силы тока в этом контуре на 1 А за 1 с.

Вебер, единица магнитного потока. Вебер – магнитный поток, при убывании которого до нуля в сцепленном с ним контуре, имеющем сопротивление 1 Ом, протекает электрический заряд, равный 1 Кл.

Тесла, единица магнитной индукции. Тесла – магнитная индукция однородного магнитного поля, в котором магнитный поток через плоскую площадку площадью 1 м2, перпендикулярную линиям индукции, равен 1 Вб.

1.2	Общие сведения об измерениях, методы и виды измерений.

Измерения подразделяются на виды измерений – часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин, и методы измерений – часть области измерений, состоящая в различии приемов использования принципов и средств измерений.

Принцип измерений – это физическое явление или эффект, положенное в основу измерений

Например: 1) применение эффекта Джозефсона для измерения электрического напряжения, 2) применение эффекта Пельтье для измерения поглощенной энергии ионизирующих излучений; применение эффекта Доплера для измерения скорости и др.

Классификацию видов измерений можно проводить по различным классификационным признакам, к которым можно отнести следующие: способ нахождения численного значения физической величины, число наблюдений, характер зависимости измеряемой величины от времени, число измеряемых мгновенных значений в заданном интервале времени, условия, определяющие точность результатов, способ выражения результатов измерения

По способу нахождения численного значения физической величины измерения подразделяются на следующие виды: прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно.

К ним относится нахождение физической величины по шкале прибора.

Косвенное измерение – определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. Числовое значение искомой величины Y определяется по формуле Y = f(X, Z, …, W), где X, Z, …, W – значения непосредственно измеряемых величин.

Совокупные измерения – проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях.

Примером совокупных измерений является нахождение сопротивлений двух резисторов по результатам измерения их сопротивлений при последовательном и параллельном включении резисторов. Для определения значений искомых величин число уравнений должно быть не меньше числа величин.

Совместные измерения - проводимые одновременно измерения двух или нескольких не одноименных величин для определения зависимости между ними. Числовые значения искомых величин определяют путем решения системы уравнений, связывающих значения искомых величин со значениями величин, измеренных прямым или косвенным способом. Число уравнений соответствует числу искомых величин.

Все измерения могут производиться различными методами. Различают следующие основные методы измерений: метод непосредственной оценки и методы сравнения c мерой.

Метод измерений обычно обусловлен устройством средств измерений.

Метод непосредственной оценки – это метод измерений, при котором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений.

Этот метод является наиболее простым, но точность его невысока .

Метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Методы сравнения с мерой разделяются на дифференциальный метод, нулевой метод, метод замещения, метод совпадения.

Дифференциальный (разностный) метод – это метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной (мерой), имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами. Здесь мера имеет постоянное значение Х0, разность измеряемой величины X и меры X0, т. е. e=X-X0 , не равна нулю и измеряется измерительным прибором. То обстоятельство, что здесь измерительный прибор измеряет не всю величину Х, а только её часть , позволяет уменьшить влияние на результат измерения погрешности измерительного прибора, причем влияние погрешности измерительного прибора тем меньше, чем меньше разность ε.

Нулевой метод измерений – это метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля. Изменяя величину, воспроизводимую мерой, можно довести величину ε до 0. Это обстоятельство отмечается индикатором нуля. В этом случае результат измерения Y есть полученное значение меры, т. е. Y = X0. Нулевой метод является частным случаем дифференциального. Примером нулевого метода является мостовой метод измерения сопротивления.

Метод замещения – это метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины.

В методе замещения, регулируя значение меры, добиваются тех же показаний прибора, что и при включении измеряемой величины.

Метод совпадений (метод нониуса) – это метод, в котором измеряют разность между искомой величиной и образцовой мерой, используя совпадение отметок или периодических сигналов.

Примером метода является измерение линейных размеров микрометром.

Различают также контактный и бесконтактный методы измерений.

Контактный метод – это метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения.

Например, измерение температуры тела термометром.

Бесконтактный метод – это метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент средства измерений не приводится в контакт с объектом измерения.

Например, измерение температуры в доменной печи пирометром.

1.3

Погрешности измерений. Измерение можно считать законченным, если найден не только результат измерения, но и проведена оценка его погрешности. По форме количественного выражения погрешности делят на абсолютные, относительные и приведенные. Абсолютной погрешностью Δ – выражаемой в единицах измеряемой величины, называют отклонение результата измерения Х от истинного значения Хи. Δ =Х-Хи Абсолютная погрешность характеризует значение и знак полученной погрешности, но не определяет качество самого измерения. Характеристикой качества измерения является точность измерения, отражающая меру близости результата измерения к истинному значению измеряемой величины. Относительной погрешностью – называют отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины:

Инструментальные / приборные погрешности — погрешности, которые определяются погрешностями применяемых средств измерений и вызываются несовершенством принципа действия, неточностью градуировки шкалы, ненаглядностью прибора.

Методические погрешности — погрешности, обусловленные несовершенством метода, а также упрощениями, положенными в основу методики.

Субъективные / операторные / личные погрешности — погрешности, обусловленные степенью внимательности, сосредоточенности, подготовленности и другими качествами оператора.

В технике применяют приборы для измерения лишь с определённой заранее заданной точностью — основной погрешностью, допускаемой нормали в нормальных условиях эксплуатации для данного прибора.

Если прибор работает в условиях, отличных от нормальных, то возникает дополнительная погрешность, увеличивающая общую погрешность прибора. К дополнительным погрешностям относятся: температурная, вызванная отклонением температуры окружающей среды от нормальной, установочная, обусловленная отклонением положения прибора от нормального рабочего положения, и т. п. За нормальную температуру окружающего воздуха принимают 20 °C, за нормальное атмосферное давление 101,325 кПа.

Обобщённой характеристикой средств измерения является класс точности, определяемый предельными значениями допускаемых основной и дополнительной погрешностей, а также другими параметрами, влияющими на точность средств измерения; значение параметров установлено стандартами на отдельные виды средств измерений. Класс точности средств измерений характеризует их точностные свойства, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью этих средств, так как точность зависит также от метода измерений и условий их выполнения. Измерительным приборам, пределы допускаемой основной погрешности которых заданы в виде приведённых основных (относительных) погрешностей, присваивают классы точности, выбираемые из ряда следующих чисел: (1; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0)*10n, где показатель степени n = 1; 0; −1; −2 и т. д.

Случайная погрешность — погрешность, меняющаяся (по величине и по знаку) от измерения к измерению. Случайные погрешности могут быть связаны с несовершенством приборов (трение в механических приборах и т. п.), тряской в городских условиях, с несовершенством объекта измерений (например, при измерении диаметра тонкой проволоки, которая может иметь не совсем круглое сечение в результате несовершенства процесса изготовления), с особенностями самой измеряемой величины (например при измерении количества элементарных частиц, проходящих в минуту через счётчик Гейгера).

Систематическая погрешность — погрешность, изменяющаяся во времени по определённому закону (частным случаем является постоянная погрешность, не изменяющаяся с течением времени). Систематические погрешности могут быть связаны с ошибками приборов (неправильная шкала, калибровка и т. п.), неучтёнными экспериментатором.

Прогрессирующая (дрейфовая) погрешность — непредсказуемая погрешность, медленно меняющаяся во времени. Она представляет собой нестационарный случайный процесс.

Грубая погрешность (промах) — погрешность, возникшая вследствие недосмотра экспериментатора или неисправности аппаратуры (например, если экспериментатор неправильно прочёл номер деления на шкале прибора или если произошло замыкание в электрической цепи).

Раздел 2 Методы и средства измерений параметров электрических сигналов и магнитных величин
2.1	Магнитоэлектрические, электромагнитные электромеханические приборы

Электроизмерительные приборы — класс устройств, применяемых для измерения различных электрических величин. В группу электроизмерительных приборов входят также кроме собственно измерительных приборов и другие средства измерений — меры, преобразователи, комплексные установки.

Классификация

Наиболее существенным признаком для классификации электроизмерительной аппаратуры является измеряемая или воспроизводимая физическая величина, в соответствии с этим приборы подразделяются на ряд видов:

амперметры — для измерения силы электрического тока;

вольтметры — для измерения электрического напряжения;

омметры — для измерения электрического сопротивления;

мультиметры (иначе тестеры, авометры) — комбинированные приборы

частотомеры — для измерения частоты колебаний электрического тока;

магазины сопротивлений — для воспроизведения заданных сопротивлений;

ваттметры и варметры — для измерения мощности электрического тока;

электрические счётчики — для измерения потреблённой электроэнергии

и множество других видов

по назначению — измерительные приборы, меры, измерительные преобразователи, измерительные установки и системы, вспомогательные устройства;

по способу представления результатов измерений — показывающие и регистрирующие ( в виде графика на бумаге или фотоплёнке, распечатки, либо в электронном виде);

по методу измерения — приборы непосредственной оценки и приборы сравнения;

по способу применения и по конструкции — щитовые (закрепляемые на щите или панели), переносные и стационарные;

по принципу действия:

электромеханические: магнитоэлектрические электромагнитные; электродинамические ;электростатические;

ферродинамические; индукционные; магнитодинамические; электронные; термоэлектрические; электрохимические.

Обозначения:

В — приборы вибрационного типа (язычковые)

Д — электродинамические приборы

Е — измерительные преобразователи

И — индукционные приборы

К — многоканальные и комплексные измерительные установки и системы

Л — логометры

М — магнитоэлектрические приборы

Н — самопишущие приборы

П — вспомогательные измерительные устройства

Р — меры, измерительные преобразователи, приборы для измерения параметров элементов электрических цепей

С — электростатические приборы

Т — термоэлектрические приборы

У — измерительные установки

Ф — электронные приборы

Х — нормальные элементы

Ц — приборы выпрямительного типа

Магнитоэлектрические приборы

Основной функциональной частью магнитоэлектрического прибора является измерительный механизм. Конструктивно магнитоэлектрический механизм выполняется либо с подвижной катушкой (рамкой), либо с подвижным магнитом.

Принцип действия магнитоэлектрического механизма основан на взаимодействии магнитных полей постоянного магнита и катушки (рамки), по которой протекает ток. Противодействующий момент может создаваться механическим и электромагнитным способами.

Магнитная система ИМ состоит из постоянного магнита 1, магнитопровода с полюсными наконечниками 4, сердечника 3. Между полюсными наконечниками находится катушка (рамка) 2, по которой протекает ток J (пружинки, создающие противодействующий момент на рисунке не показаны). Рамка соединена со стрелкой 5, перемещающейся по шкале 6. При прохождении тока J по рамке 2, помещенной в равномерное, постоянное магнитное поле с индукцией В, создается вращающий момент МВР, действующий на подвижную часть магнитоэлектрического механизма.

Противодействующий момент в магнитоэлектрическом ИМ может создаваться и электрическим способом. Этот способ используется в логометрическом ИМ. В таком механизме подвижная часть выполняется в виде двух жестко скрепленных между собой рамок 1 и 2. По обмоткам рамок протекают токи I1 и I2, которые создают моменты М1 и М2.

Направления токов выбираются таким образом, чтобы моменты М1 и М2 действовали на- встречу друг другу. Записав выражения для моментов в виде М1 = S1n1F1(a)I1; М2 =S n2F1(a)I2..Считая один из моментов вращающим, например, М1, а второй М2 - противодействующим, при установившемся равновесии выражение для угла отклонения подвижной части можно представить в виде a= F(I1/I2). Из данного выражения видно, что магнитоэлектрический логометр измеряет отношение токов. Логометрические измерительные механизмы очень часто используются в приборах для измерения сопротивления. Показания таких приборов не зависят от напряжения питания.

Магнитоэлектрические приборы являются наиболее распространенной группой электромеханических приборов.

Магнитоэлектрические приборы применяют в качестве: 1) амперметров и вольтметров для измерения токов и напряжений в цепях постоянного тока (для этих целей приборы других групп используют в редких случаях); 2) омметров; 3) гальванометров постоянного тока, используемых в качестве нулевых индикаторов, а также для измерения малых токов и напряжений; 4) баллистических гальванометров, применяемых для измерений малых количеств электричества; 5) приборов для измерений в цепях переменного тока: а) осциллографических гальванометров, применяемых для наблюдения и записи быстропротекающих процессов; б) вибрационных гальванометров, используемых в основном в качестве нулевых индикаторов переменного тока; в) выпрямительных, термоэлектрических и электронных приборов, содержащих преобразователь переменного тока в постоянный.

Достоинствами магнитоэлектрических приборов являются:

1) высокая чувствительность; 2) высокая точность; 3) малое собственное потребление мощности; 4) равномерная шкала; 5) малое влияние внешних магнитных полей.

К недостаткам магнитоэлектрических приборов можно отнести:

1) невысокую перегрузочную способность; 2) сравнительно сложную конструкцию; 3) применение, при отсутствии преобразователей, только в цепях постоянного тока.

Магнитоэлектрические приборы занимают первое место среди других электромеханических приборов. Они выпускаются вплоть до класса точности 0,05, а по чувствительности с током полного отклонения до 0,1 мкА (при классе точности 1,5)

Электромагнитные приборы

Основной частью электромагнитного прибора является электромагнитный ИМ. Принцип действия электромагнитного измерительного механизма основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого проводником с током, и ферромагнитного сердечника.

В настоящее время применяется большое число различных типов электромагнитных приборов, которые различаются по назначению, конструкции ИМ, форме катушек и сердечников и т. д.

В зависимости от инерционности подвижной части или частоты ее собственных колебаний все электромагнитные приборы разделяются на две группы: резонансные и нерезонансные. Резонансные работают только на переменном токе. В нерезонансных приборах момент инерции подвижной части значителен, и смещение подвижной части пропорционально квадрату действующего значения тока.

В зависимости от характера магнитной цепи приборы разделяются на приборы с магнитопроводом, условно называемым замкнутым, и без магнитопровода. Приборы с магнитопроводом имеют меньшее собственное потребление мощности, но вместе с этим и значительные погрешности из-за потерь в магнитопроводе от вихревых токов и гистерезиса. Приборы без магнитопровода имеют малое собственное магнитное поле и большую зависимость показаний от влияния внешних магнитных полей и позволяют создать приборы высокой точности для работы на постоянном и переменном токе. Эти приборы подразделяются на приборы отталкивающего и втяжного действия. В приборах первого типа расположенные внутри катушки с током ферромагнитные сердечники намагничиваются одноименно и отталкиваются друг от друга

1 – катушка; 2 – подвижный сердечник; 1 – катушка; 2, 3 - призматические

3 – неподвижный сердечник; 4 – ось; сердечники; 4 – ось; 5 – пружинка;

5 – пружинка; 6 - стрелка 6 - стрелка

В настоящее время чаще других применяют электромагнитные измерительные механизмы с прямоугольными и круглыми намагничивающими катушками, призматическими и цилиндрическими сердечниками.

При прохождении тока J по намагничивающей катушке 1 в результате взаимодействия электромагнитного поля катушки и сердечника возникает вращающий момент МВР, который определяется по формуле

,

где L –индуктивность катушки.

Противодействующий момент может создаваться как с помощью спиральных пружинок так и электрическим способом (в электромагнитных логометрах), а успокоение подвижной части механизма осуществляется воздушным или магнитоиндукционным успокоителем.

Приборы на основе электромагнитного измерительного механизма применяются для измерения тока и напряжения в цепях постоянного и переменного тока. Наиболее просто реализуются однопредельные электромагнитные амперметры и миллиамперметры.