Файл взят с сайта www.Kodges.Ru, на котором есть еще много интересной литературы

I

ДЛЯ УЧАЩИХСЯ ТЕХНИКУМОВ

; ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

ИЗМЕРЕНИЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

(с лабораторными работами)

Под ред. доктора техн. наук В. Н. МАЛИНОВСКОГО

Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учеб­ника для средних специальных учебных заведе­ний

т

МОСКВА ЭНЕРГОИЗДАТ 1982

ББК 31.221

Э 45

УДК 621.317

Рецензенты: Л. П. Любимова и Б. П. Хромой Авторы: Р. М. Демидова-Панферова, Б. Н. Малиновский, В. С. Попов, В. Ф. Семенов, К. Н. Цепляев

Электрические измерения (с лабораторными ра- Э45 ботами): Учебник для техникумов/Р. М. Демидова- Панферова, В. Н. Малиновский, В. С. Попов и др.; Под ред. В. Н. Малиновского. — М.: Энергоиздат, 1982, —392 е., ил. В пер.: 90 к.

Изложены основы теории электрических измерений. Рассмотрены методы и средства измерений электрических, магнитных и иеэлеыри- ческих величин. Приведены лабораторные работы но электрическим измерениям. Учебник написан в соответствии с новой учебной програм­мой по данному курсу

Предназначен для учащихся энергетических и электромеханичес­ких техникумов неприборостроительных специальностей. Может быть полезен инженерно-техническим работникам.

_э 2302010000-259 ББК 31.221

051(01)-82 ¹⁵⁰"⁸² БП2.1.083

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящая книга является учебником по электриче­ским измерениям для учащихся энергетических и элект­ромеханических техникумов неприборостроительных специальностей. В ней изложены основы теории элект­рических измерений, методы измерений электрических, магнитных и неэлектрических величин, а также рассмот­рены технические средства, применяемые при электри­ческих измерениях.

Используемая до настоящего времени в качестве учебника для техникумов книга В. С. Попова «Электри­ческие измерения» была издана в 1974 г. и для своего времени достаточно хорошо отражала положение в об­ласти электрических измерений.'Однако с тех пор про­изошли существенные изменения в области теории и практики электрических измерений. Это нашло отраже­ние и в новой программе курса «Электрические изме­рения».

Предлагаемая вниманию читателей книга написана в соответствии с новой программой курса. В ней отра­жены достижения современной науки в области элект­рических измерений. Большое внимание уделено новым прогрессивным средствам измерения — электронным приборам, как цифровым, так и аналоговым, аналого- цифровым преобразователям, информационно-измери­тельным системам. В книге приводятся технические характеристики новых освоенных промышленностью средств измерений. При изложении материала авторы опирались на новые ГОСТ в метрологии и измеритель­ной технике. По сравнению с книгой В. С. Попова со­кращен материал, посвященный описанию электромеха­нических приборов. Книга содержит описание ряда но­вых лабораторных работ.

3

Данная книга представляет собой труд преподава­тельского коллектива кафедры информационно-измери-

1*

тельной техники Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетического института. В ней использован многолетний педагогический опыт авторов.

Степень участия авторов в написании отдельных глав и параграфов книги (перечислены в алфавитном порядке): Р. М. Демидова-Панферова — гл. 5, кроме § 5.9, 5.10, и гл. 15, В. Н. Малиновский — предисловие, введение, гл. 6, 9, 11 и 17, В. С. Попов — гл. 1—3, 10, 16 и § 5.9, 5.10, В. Ф. Семенов —гл. 8, 14, К. Н. Цепля- ев — гл. 4, 7, 12, 13.

Авторы глубоко признательны рецензентам зав. ка­федрой Московского электротехнического института связи доктору техн. наук, проф. Б. П. Хромому и стар­шему преподавателю Всесоюзного заочного электромеха­нического техникума Л. П. Любимовой за полезные со­веты и замечания, а также выражают благодарность старшему преподавателю А. А. Можейко за большую работу по редактированию книги.

Авторы с благодарностью примут все критические замечания и пожелания. Их следует направлять по ад­ресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10. Энер- гоиздат.

Авторы

ВВЕДЕНИЕ

Развитие науки и техники всегда было тесно связа­но с прогрессом в области измерений. В физике, меха­нике и других науках именно измерения позволили точ­но устанавливать зависимости, выражающие объектив­ные законы природы, поэтому эти науки именуются точными. Важное значение измерений для науки под­черкивали многие ученые. Вот что они писали об этом^I: Г. Галилей: «Измеряй все доступное изме­рению и делай доступным все недоступное ему»; Д. И. Менделеев: «Наука начинается с тех пор, как на­чинают измерять, точная наука немыслима без меры»; Кельвин: «Каждая вещь известна лишь в той степени, в какой ее можно измерить».

Измерения являются одним из основных способов познания природы, ее явлений и законов. Каждому но­вому открытию в области естественных и технических наук предшествует большое число различных измерений. Немецкий физик Г. Ом установил основной закон элек­трической цепи (закон Ома) в 1826 г. путем ряда точ­ных экспериментов, а в 1827 г. дал ему теоретическое обоснование. П. Н. Лебедев, построив специальное из­мерительное устройство, в 1901 г. впервые обнаружил и измерил давление света на твердое тело. Такие приме­ры можно было бы продолжить.

Важную роль играют измерения и в создании новых машин, сооружений, повышении качества продукции и эффективности производства. Например, во время стен­довых испытаний крупнейшего в мире турбогенератора мощностью 1200 МВт, созданного на ленинградском объединении «Электросила», измерения производились в 1500 различных его точках.

Проблема повышения качества продукции и эффек­тивности производства решается путем автоматизации технологических процессов, и здесь успех дела во мно­гом определяется достоверностью и своевременностью получения измерительной информации о ходе техноло­гического процесса. Качество многих технологических процессов зависит от состояния электроустановок, об­служивающих эти процессы. Каждая электроустановка должна удовлетворять определенным техническим тре­бованиям. Проверка выполнения указанных требований производится посредством электроизмерительных при­боров. Эта проверка осуществляется на всех стадиях создания, монтажа и последующей эксплуатации элект­роустановки.

Первоначально под электрическими измерениями понимались методы и средства измерений параметров, связанных с производством, передачей и использовани­ем электрической энергии. Позднее электрические изме­рения стали применяться в целях получения измеритель­ной информации о протекаиии различных регулируемых или управляемых технологических процессов. В настоя- ще время электрические методы измерений могут при­меняться для изучения практически любых физических величин или процессов.

Первый в мире электроизмерительный прибор — «указатель электрической силы» был создан в 1745 г. акад. Г. В. Рихманом, соратником М. В. Ломоносова. Это был электрометр — прибор для измерения разности потенциалов, и предназначался он для изучения атмо­сферного электричества. Однако только со второй поло­вины XIX в. в связи с созданием и практическим приме­нением генераторов электрической энергии остро встал вопрос о разработке различных электроизмерительных приборов, отсутствие которых сдерживало развитие электротехники.

Много сделал для развития электроизмерительной техники во второй половине XIX и в начале XX вв. вы­дающийся русский электротехник М. О. Доливо-Добро- вольский. Им разработаны амперметр и вольтметр элек­тромагнитной системы, изготовлен индукционный изме­рительный механизм с вращающимся магнитным полем и подвижной частью в виде диска, который был затем положен в основу ваттметра и фазометра, разработаны рекомендации по конструированию ферродинамических приборов и т. д. Однако из-за низкого уровня развития электротехнической промышленности в дореволюцион­ной России работы М. О. Доливо-Добровольского полу­чили первое применение для организации производства электроизмерительных приборов за рубежом, в частно­сти на одной из немецких фирм.

К тому же периоду относятся работы известного русского физика А. Г. Столетова, открывшего закон из­менения магнитной проницаемости в зависимости от на­пряженности поля и предложившего метод определения характеристик магнитных материалов с помощью бал­листического гальванометра.

Важную роль в развитии электроизмерительной тех­ники примерно в те же годы сыграли труды акад. Б. С. Якоби. Им разработан ряд приборов для измере­ния сопротивления электрической цепи, сделаны первые шаги в области обеспечения единства в измерении элек­трических величин. Дело в том, что к 1880 г. на практи­ке использовалось 15 различных единиц электрического сопротивления, 8 единиц ЭДС, 5 единиц электрического тока. Такое положение сильно затрудняло сопоставле­ние результатов расчетов и измерений, выполненных различными исследователями. Остро ощущалась необ­ходимость введения единой системы электрических еди­ниц. Такая система была принята Первым конгрессом по электричеству, состоявшимся в 1881 г.

Особенно много для развития измерительной техни­ки в России сделал разносторонний ученый Д. И. Мен­делеев. Им создана точная теория весов, по его настоя­нию и при активном участии в России с 1899 г. была допущена факультативно метрическая система мер, которая с 1918 г. стала обязательной, по его инициати­ве в конце прошлого и начале нынешнего века при Главной палате мер и весов в Петербурге было органи­зовано специальное отделение для проверки электриче­ских измерительных приборов. Однако широкое разви­тие электроизмерительная техника в нашей стране по­лучила только в годы Советской власти.

В 1927 г. в Ленинграде построен первый отечествен­ный электроприборостроительный завод «Электропри­бор» (ныне завод «Вибратор»). Уже через год завод выпустил около 100 ООО счетчиков электрической энер­гии, в которых остро нуждалось народное хозяйство страны (для сравнения укажем, что в настоящее время отечественные заводы ежегодно выпускают около 5 млн. счетчиков).

В 30-х годах были введены в строй приборострои­тельные заводы в Харькове, Ленинграде, Москве, Крас­нодаре, Киеве. В послевоенный период с 1948 по 1967 г. объем продукции электроприборостроения возрос в 200 раз. В последующих пятилетках развитие приборо­строения идет неизменно опережающими темпами. Рас­ширяется количество видов измеряемых величин, непре­рывно улучшаются метрологические характеристики средств измерения, их внешний вид.

Прогресс в развитии средств электроизмерительной техники в последние годы был обеспечен в результате дальнейшего развития теории измерений и разработки на ее основе новых методов измерения, широкого при­менения в конструкциях средств измерений последних достижений микроэлектроники, автоматики, вычисли­тельной техники, а также успешного решения ряда тех­нологических задач. Рассмотрим основные достижения в этой области.

Аналоговые приборы непосредственной оценки вы­пускаются промышленностью уже десятки лет. Между тем в последние годы в их конструкции были сделаны серьезные изменения: так, от опор на кернах перешли к растяжкам, что позволило существенно повысить точ­ность, снизить цену деления, а в ряде случаев изменить весь внешний вид прибора. До последнего времени та­кому переходу препятствовали серьезные технические трудности (недостаточная прочность и упругое после­действие растяжек). Однако в результате усилий уче­ных эти препятствия были устранены, а приборострои­тельная промышленность СССР освоила производство ряда серий аналоговых приборов (амперметров, вольт­метров, ваттметров, частотомеров, фазометров и др.) с высокими технико-экономическими характеристиками. В качестве примера можно указать на разработку узко­профильных (120X30 и 160X30 мм по лицевой панели) аналоговых сигнализирующих контактных (АСК) при­боров. Приборы этой серии обладают рядом достоинств: они занимают на щитах и пультах управления в 5— 10 раз меньше места, чем приборы аналогичного назна­чения в обычном исполнении; отличаются высоким классом точности 0,5 и 1,0; снабжены устройствами, по­зволяющими производить не только измерение, но и контроль, а также регулирование контролируемой вели­чины. Аналоговые сигнализирующие контактные прибо­ры выпускаются серийно и успешно используются в промышленности, в частности для контроля за работой агрегатов котел — турбина — генератор на современных электростанциях. Коллективу авторов, разработавших эти приборы, присуждена Государственная премия 1977 г.

На основе микроэлектроники создан ряд моделей аналоговых приборов непосредственной оценки без по­движных частей.

Важным шагом в развитии электроприборостроения явились разработка и освоение серийного производства новых методов изготовления резисторов на основе пе­чатной технологии и литого микропровода в сплошной стеклянной изоляции, отличающихся компактностью и высокой стабильностью сопротивления.

Технология производства печатных резисторов была предложена и освоена на Краснодарском заводе изме­рительных приборов. На основе печатных резисторов разработаны и выпускаются серийно многие модели пре­цизионных полуавтоматических компенсаторов (типа Р345, Р363), мостов, делителей напряжения (типа Р313, Р35), полуавтоматических установок (типа У355, У309, УЗ 13), погрешность их не превышает 0,005—0,0005%.

В результате разработки технологии производства литого микропровода в сплошной стеклянной изоляции была решена проблема производства высокоомных ре­зисторов и приборов на их основе.

Новым шагом в развитии электроизмерительной техники стали разработка и освоение серийного произ­водства цифровых измерительных приборов (ЦИП). Вы­сокая точность, быстродействие, помехоустойчивость, малый отбор мощности от объекта измерения, удобство визуального отсчета, возможность выдачи результата измерения в виде кода во внешние устройства и ряд других ценных признаков характерны для ЦИП наряду с полной автоматизацией процесса измерения. При раз­работке ЦИП сочетаются последние достижения теории электрических измерений с современной микроэлектрон­ной элементной базой, автоматикой и вычислительной техникой.

В настоящее время наметилась определенная тен­денция к применению в электроизмерительных приборах микропроцессоров. Последние позволяют производить обработку результатов измерения путем умножения или деления измеряемой величины на постоянный коэффи­циент, вычитания постоянного коэффициента из значения измеряемой величины, контроля значения измеряемрй величины относительно заданных границ зоны допуска, вычисления статистических характеристик контролиру­емого процесса, линеаризации характеристик измери­тельных преобразователей и т. д. Микропроцессоры также оказывают активное воздействие на сам процесс измерения* и калибровки прибора.

Наукой об измерениях, методах и средствах обеспе­чения их единства, способах достижения требуемой точ­ности является метрология. Но наличие хороших мето­дов и средств измерений еще не означает высокого уровня измерений, необходимо также правильно поль­зоваться ими. Поэтому в метрологии можно выделить два направления — научно-техническое и законодатель­ное. Содержанием научно-технического направления яв­ляется создание, например, эталонов, средств и методов измерений, методов оценки точности измерений и зако­нодательного — создание регламентированных государ­ством общих правил, требований и норм, обеспечиваю­щих высокий уровень измерительного дела на строго научной основе.

Наука о принципах и методах установления наибо­лее эффективных норм и правил взаимодействия эле­ментов общественного производства с точки зрения их совместимости, унификации и рациональной организа­ции называется стандартизацией. Стандарты — это тех­нические законы, устанавливающие определенные тре­бования к материалам, изделиям, технологическим процессам, технической и технологической документа­ции, методам испытаний и т. п. Метрология и стандар­тизация тесно связаны между собой: с одной стороны измерения пронизаны различными стандартами (напри­мер, на средства, методики), с другой стороны, измере­ния обеспечивают методы и средства контроля выпол­нения стандартов. Поэтому в Советском Союзе стандар­тизация и метрология объединены в единой государст­венной службе — Государственном комитете стандартов Совета Министров СССР (Госстандарт СССР).

В нашей стране измерениями профессионально зани­маются более трех миллионов трудящихся; ими еже­дневно выполняется более 20 млрд. измерений. Много времени затрачивается на проведение измерений работ­никами науки, промышленности, торговли, транспорта и т. д. В эксплуатации находится около 1 млрд. прибо­ров. В таких условиях необходимо обеспечить единство измерений в стране — это важнейшая задача метроло­гической службы Единством измерений называется такое положение в области измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, а по­грешности известны с заданной вероятностью. Единство измерений достигается единством эталонов и мер; испы­таний, поверки и ревизии, метрологических характерис­тик средств измерений; методов измерительных процес­сов; форм представления результатов измерения Зако­нодательной основой в этом отношении является система Государственных общесоюзных стандартов (ГОСТ) в виде Государственной системы обеспечения единства из­мерений (ГС И).

Задача данной книги — познакомить читате 1Я с ос­новными понятиями метрологии и электроизмерительной техники, принципом действия и основными характерис­тиками современных средств измерения и методами из­мерения электрических, магнитных и неэлектрических величин.

ГЛАВА ПЕРВАЯ

ОСНОВНЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ПОГРЕШНОСТИ