Лекція 1 електровимірювальні прилади та електричні вимірювання

1.1. Основні поняття з теорії вимірювань

Вимірювання - це процес порівняння фізичної величини з прийнятим за її одиницю значенням. Рівняння вимірювання:

,

(1.1)

де х - значення вимірюваної фізичної величини, N - безрозмірне число, яке визначають за допомогою вимірювального приладу, М - відтворювана міра фізичної величини, яка відповідає значенню цієї величини, прийнятому за одиницю. Наприклад, рівняння вимірювання величини струму має вигляд: I = 10,5 А.

До засобів вимірювань можна віднести:

• міри, тобто еталонні технічні засоби для якомога точного відтворювання одиниць фізичної величини (вольт, ом, ампер, генрі, фарада і т. п.);

• вимірювальні прилади (вольтметри, амперметри, ватметри і т. п);

• вимірювальні перетворювачі (вимірювальні трансформатори струму та напруги, шунти, магазини опорів і т. п.).

Засоби вимірювань поділяють на робочі та взірцеві. Робочі засоби викорис­товують для повсякденних вимірювань, а взірцеві - для перевірки робочих приладів на відповідність їх певним технічним умовам.

Всі вимірювання фізичних величин у залежності від способу отримання результатів поділяють на прямі та опосередковані (непрямі). При прямому вимірюванні значення фізичної величини отримують безпосередньо з виміру, нап­риклад, при вимірюванні струму амперметром. При непрямому вимірюванні шукану фізичну величину обчислюють за даними прямих вимірів інших величин, з якими вона зв'язана певною залежністю. Наприклад, визначення опору або за даними вимірів напруги та струму в колах постійного та, відповідно, змінного струму виконано методом непрямого вимірювання.

В залежності від способу використання приладів та мір прийнято розрізняти два методи вимірювання: прямим перетворенням і порівнянням з мірою. При використанні методу прямого перетворення вимірювану величину визначають безпосереднім відліком показів вимірювального приладу, пропорційних вимірюваній величині (вимірювання струму амперметром, активної потужності ватметром і т.п.). Метод порівняння з мірою поділяють на метод диференційний і нульовий.

Диференційний метод – це метод порівняння, при якому створюють та оцінюють вимірюваний сигнал як різницю вимірюваних сигналів від досліджуваного об'єкта та міри. Це дозволяє значно підвищити точність виміру за умови, що точність застосованої міри є високою. Наприклад, якщо різниця між вимірюваною величиною та мірою дорівнює 1%, а цю різницю вимірюють приладом з похибкою 1 %, то похибка виміру всієї величини буде лише 0,01 %.

Нульовий метод - це метод порівняння, при якому зрівнюють вимірювані сигнали від досліджуваного об'єкта та міри так, що різниця між ними стає рівною нулю. Нульовий метод є граничним випадком диференційного. Прикладом нульового методу є вимірювання опору за допомогою чотириплечового моста.

Результат виміру завжди відрізняється від дійсного значення вимірюваної величини. Ця розбіжність може бути зумовлена властивостями вимірювального пристрою, недоско­налістю вимірювального механізму, впливом зовнішніх факторів (зміна температури навколишнього середовища, зовнішні магнітні та електричні поля), нарешті недосконалістю органів відчуття людини та іншими випадковими факторами. Різницю між виміряним та дійсним значенням х вимірюваної величини називають абсолютною похибкою виміру:

.

(1.2)

Точність виміру оцінюють відносною похибкою , яку визначають як виражене у відсотках відношення абсолютної похибки до дійсного значення вимірюваної величини:

.

Оскільки значення х невідоме і різниця між та х звичайно відносно мала, ( ) то можна вважати, що практично:

(1.3)

У більшості вимірювальних приладів абсолютна похибка є практично незмінною при всіх можливих для даного приладу значеннях вимірюваної величини. Тому із зменшенням вимірюваної величини відносна похибка швидко зростає. Для зменшення відносної похибки слід обирати границі вимірювань приладу так, щоби його покази знаходилися на останній третині шкали для обраного діапазону вимірювання.

Точність вимірювальних приладів оцінюють зведеними похибками, які визна­чають у відсотках по відношенню абсолютної похибки до нормувального значення :

(1.4)

Нормувальним значенням вимірювального приладу називають значення вимірюваної величини, яке може дорівнювати верхній границі вимірювань (для показувального приладу з нулем у лівій частині шкали), діапазону вимірювань (для приладу з нулем посередині шкали), довжині шкали тощо.

Похибки приладів поділяють на основну, яку прилад має при нормальних умовах роботи і додаткову, зумовлену впливом на покази приладу різноманітних зовнішніх фактів. Нормальними вважають умови роботи, передбачені технічними умовами на прилад. Наприклад, нормальними можуть вважатися такі умови експлуатації приладу: температура навколишнього середовища (20 ± 5) °С, відносна вологість повітря (65 ± 15)%, атмосферний тиск 101325 ± 400 Па, частота мережі живлення 50 Гц, положення приладу горизонтальне.

Зведену похибку при нормальних умовах роботи, залежну від самого приладу, називають основною похибкою приладу. Вимірювальним приладам, допустимі границі похибок яких визначають зведеними похибками, присвоюють клас точності, який обирають з ряду чисел 1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5 та 6*10ⁿ, де п = +1; 0; -1; -2 тощо. Цифра, що позначає клас точності, вказує на найбільше допустиме значення основної похибки приладу. У розглянутому прикладі з амперметром, що має та основна похибка дорівнює:

.

Отже прилад має клас точності 1. Клас точності вказують відповідно цифрою на шкалі, щитку або корпусі приладу.

На шкалі приладу наносять поділки для відліку вимірюваної величини. Ціна поділки (або стала приладу) є різниця значень величини, яка відповідає двом сусіднім рискам шкали.

Важливою характеристикою приладу є його чутливість S, яка дорівнює Якщо чутливість S на всіх ділянках шкали незмінна, - прилад має лінійну незмінну шкалу. Якщо ж залежність N = N(х) нелінійна, то чутливість приладу залежить від величини х, тобто стає змінною, а шкала приладу стає нелінійною.