Измерение и контроль тока и напряжения в условиях агропромышленного производства – наиболее распространенный вид измерений электрических величин. В зависимости от рода, частоты и формы кривой тока применяют те или иные методы и средства измерений и контроля тока и напряжения. Ток и напряжение непосредственно измеряют электромеханическими и цифровыми амперметрами и вольтметрами со стрелочными или цифровыми отсчетными устройствами. Применение метода сравнения с мерой позволяет измерять величины с меньшими погрешностями, чем непосредственно.
Измерения в цепях постоянного тока. В условиях производства и при научных исследованиях возникает необходимость в измерении и контроле в установках постоянного тока от 10 –17 до 10 6 А и напряжений от 10 –7 до 10 8 В . Для этого используют различные средства.
Малые токи и напряжения измеряют непосредственно приборами высокой чувствительности - магнитоэлектрическими гальванометрами.
Постоянные токи не более 200 мА измеряютмагнитоэлектрическими миллиамперметрами.
Непосредственное измерение и контроль напряжений (до 600 В ) в установках постоянного тока осуществляют магнитоэлектрическими вольтметрами.
Для регистрации токов и напряжений в цепях постоянного тока используют самопишущие приборы.
Измерения в цепях синусоидального тока связаны с определением среднего (средневыпрямленного), действующего (среднего квадратичного) и амплитудного (максимального) значений тока и напряжения. Поскольку все эти значения связаны между собой коэффициентами формыилии амплитуды или, можно измерив одно из них, определить другие. Для измерения средних значений применяют электронные и цифровые приборы. Для измерения действующих значений тока (до 100А ) и напряжения (до 600В ) в цепях синусоидального токапромышленной частоты применяют в основном электромагнитные приборы. Для измерения тока и напряжения в установках сповышенными частотами (например, в установках с ручным инструментом) электромагнитные приборы не используют из-за больших погрешностей измерений. Для этого применяют тепловые, электронные и цифровые приборы.Мгновенные значения токов и напряжений различной формы и частоты регистрируют с помощью самопишущих приборов и электронно-лучевых осциллографов.
В трехфазных системах токи и напряжения измеряют теми же приборами, что и в однофазных цепях. В симметричной трехфазной системе для контроля линейных токов и напряжений можно использовать один амперметр или вольтметр. В несимметричных системах для контроля линейных напряжений часто применяют один вольтметр с переключателем.
Независимо от способа и применяемого
средства измерений и контроля тока и
напряжения результаты измерений содержат
погрешности, одна из составляющих
которых обусловлена потреблением
мощности измерительными приборами.
Так, при включении амперметра с
сопротивлением
в цепь с напряжениемU
по цепи протекает ток меньший, чем до
включения прибора. Если ток в цепи до
включения амперметра(здесь– сопротивление цепи без прибора), а
после его включения
,
то относительная погрешность измерения
тока
Поэтому для измерения тока следует выбирать амперметр с возможно меньшим сопротивлением, а для измерения напряжения – вольтметр с возможнобольшим сопротивлением. В этом случае погрешности измерений будут минимальными.
О влиянии метрологических свойств вольтметров на оценку качества напряжения можно судить по следующему примеру. Действующими для сельских электрических сетей нормами допускаются колебания напряжения на входе потребителя до 5 % от номинального. Если для измерения напряжения в сети 22011В (с учетом колебания) использовать вольтметр класса точности 1,5 с диапазоном измерений 0...250В , то он может показать 22014,75В , что превышает нормируемое колебание на1,7%.
ЛЕКЦИЯ № 1
Тема: ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
1. Общие сведения об электроизмерительных приборах
Электроизмерительные приборы предназначены для измерения различных величин и параметров электрической цепи: напряжения, силы тока, мощности, частоты, сопротивления, индуктивности, емкости и других.
На схемах электроизмерительные приборы изображаются условными графическими обозначениями в соответствии с ГОСТ 2.729-68. На рис.1.1 приведены общие обозначения показывающих и регистрирующих приборов.
Рис. 1.1 Условные графические обозначения электроизмерительных приборов.
Для указания назначения электроизмерительного прибора в его общее обозначение вписывают конкретизирующее условное обозначение, установленное в стандартах, или буквенное обозначение единиц измерения прибора согласно ГОСТ в соответствии с табл.1.1.
Таблица 1.1
Наименование единицы измерения | Условное обозначение | Наименование единицы измерения | Условное обозначение |
Миллиампер | |||
Микроампер | |||
Милливольт | |||
Киловатт | |||
Коэффициент мощности |
2. Электромеханические измерительные приборы
По принципу действия электромеханические приборы подразделяются на приборы магнитоэлектрической, электромагнитной, ферродинамической, индукционной, электростатической систем. Условные обозначения систем приведены в табл. 1.2. Наибольшее распространение получили приборы первых трех типов: магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические.
Таблица 1.2
Тип прибора | Условное обозначение | Род измеряемого тока | Достоинства | Недостатки |
|
электрический | Постоянный | Высокая точность, равномерность шкалы | Неустойчив к перегрузкам |
|
|
магнитный | Переменный постоянный | Простота устройства, к перегрузкам устойчив | Низкая точность, чувствителен к помехам |
|
|
динамический | Переменный постоянный | Высокая точность | Низкая чувствительность, чувствителен к помехам |
|
Индукционный | Переменный | Высокая надежность, к перегрузкам устойчив | Низкая точность |
3. Области применения электромеханических приборов
Магнитоэлектрические приборы: щитовые и лабораторные амперметры и вольтметры; нулевые индикаторы при измерениях в мостовых и компенсационных цепях.
В промышленных установках переменного тока низкой частоты большинство амперметров и вольтметров - приборы электромагнитной системы. Лабораторные приборы класса 0,5 и точнее могут изготовляться для измерения постоянного и переменного токов и напряжения.
Электродинамические механизмы используются в лабораторных и образцовых, приборах для измерения постоянных и переменных токов, напряжений и мощностей.
Индукционные приборы на базе индукционных механизмов используют главным образом в качестве одно - и трехфазных счетчиков энергии переменного тока. По точности счетчики подразделяются на классы 1,0; 2,0; 2,5. Счетчик СО (счетчик однофазный) используют для учета активной энергии (ватт-часов) в однофазных цепях. Для измерения активной энергии в трехфазных цепях применяют двухэлементные индуктивные счетчики, счетный механизм которых учитывает киловатт-часы. Для учета реактивной энергии служат специальные индуктивные счетчики, имеющие некоторые изменения в устройстве обмоток или в схеме включения.
Активные и реактивные счетчики устанавливают на всех предприятиях для расчета с энергоснабжающими организациями за используемую электроэнергию.
Принцип выбора измерительных приборов
1.Определяют расчетом цепи максимальные значения тока, напряжения и мощности в цепи. Часто значения измеряемых величин известны заранее, например, напряжение сети или аккумуляторной батареи .
2. В зависимости от рода измеряемой величины, постоянного или переменного тока, выбирают систему прибора. Для технических измерений постоянного и переменного тока выбирают соответственно магнитоэлектрическую и электромагнитную системы. При лабораторных и точных измерениях для определения постоянных токов и напряжений применяют магнитоэлектрическую систему, а для переменного тока и напряжения - электродинамическую систему.
3. Выбирают предел измерения прибора таким образом, чтобы
измеряемая величина находилась в последней, третьей части шкалы
прибора.
4. В зависимости от требуемой точности измерения выбирают класс
точности прибора.
4. Способы включения приборов в цепь
Амперметры включают в цепь последовательно с нагрузкой, вольтметры - параллельно, ваттметры и счетчики, как имеющие две обмотки (токовую и напряжения), включают последовательно – параллельно (Рис. 1.2.).
DIV_ADBLOCK111">
https://pandia.ru/text/78/613/images/image016_8.gif" width="393" height="313 src=">
Рис. 1.3. Способы расширения пределов измерения приборов.
Цена деления многопредельных амперметров, вольтметров, ваттметров определяется по формуле:
П" в старшем разряде) и изменить полярность входного сигнала при мигании знака "-" в старшем разряде.
Погрешность измерения мультиметра ВР-11 А.
Постоянное напряжение: ±(0,5% Ux +4 зн.).
Переменное напряжение: ±(0,5% Ux + 10 зн.),
где Ux - показание прибора;
зн. - единица младшего разряда.
Достоинства электронных приборов: высокое входное сопротивление, что позволяет проводить измерения без влияния на цепь; широкий диапазон измерений, высокая чувствительность, широкий частотный диапазон, высокая точность измерений.
6. Погрешности измерений и измерительных приборов
Качество средств и результатов измерений принято характеризовать указанием их погрешностей. Разновидностей погрешностей около 30. Определения им даны в литературе по измерениям. Следует иметь в виду, что погрешности средств измерений и погрешности результатов измерений - понятия не идентичные. Исторически часть наименований разновидности погрешностей закрепилась за погрешностями средств измерений, другая за погрешностями результатов измерений, а некоторые применяются по отношению и к тем, и к другим.
Способы представления погрешности следующие.
В зависимости от решаемых задач используются несколько способов представления погрешности, чаще всего используются абсолютная, относительная и приведенная.
Абсолютная погрешность – измеряется в тех же единицах что и измеряемая величина. Характеризует величину возможного отклонения истинного значения измеряемой величины от измеренного.
Относительная погрешность – отношение абсолютной погрешности к значению величины. Если мы хотим определить погрешность на всем интервале измерений, мы должны найти максимальное значение отношения на интервале. Измеряется в безразмерных единицах.
Класс точности – относительная погрешность, выраженная в процентах. Обычно значения класса точности выбираются из ряда: 0,1; 0,5: 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 и т. д.
Понятия абсолютной и относительной погрешностей применяют и к измерениям, и к средствам измерения, а приведенная погрешность оценивает только точность средств измерения.
Абсолютная погрешность измерения - это разность между измеренным значением х и ее истинным значением хи:
Обычно истинное значение измеряемой величины неизвестно, и вместо него в (1.1) подставляют значение величины, измеряемой более точным прибором, т. е. имеющим меньшую погрешность, чем прибор, дающий значение х. Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой величины. Формулой (1.1) пользуются при поверке измерительных приборов.
Относительная погрешность https://pandia.ru/text/78/613/images/image020_7.gif" width="99" height="45"> (1.2)
По относительной погрешности измерения проводят оценку точности измерения.
Приведенная погрешность измерительного прибора определяется как отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению xn и выражается в процентах:
(1.3)
Нормирующее значение обычно принимают равным верхнему пределу рабочей части шкалы, у которой нулевая отметка находится на краю шкалы.
Приведенная погрешность определяет точность измерительного прибора, не зависит от измеряемой величины и имеет единственное значение для данного прибора. Из (1..gif" width="15" height="19 src="> тем больше, чем меньше измеряемая величина х по отношению к пределу измерения прибора хN.
Многие измерительные приборы различаются по классам точности. Класс точности прибора G - обобщенная характеристика, которая характеризует точность прибора, но не является непосредственной характеристикой точности измерения, выполняемого с помощью данного прибора.
Класс точности прибора численно равен наибольшей допустимой приведенной основной погрешности, вычисленной в процентах. Для амперметров и вольтметров установлены следующие классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 5,0. Эти числа наносятся на шкалу прибора. Например, класс 1 характеризует гарантированные границы погрешности в процентах (± 1%, например, от конечного значения 100 В, т. е. ±1В) в нормальных условиях эксплуатации.
По международной классификации приборы с классом точности 0,5 и точнее считаются точными или образцовыми, а приборы с классом точности 1,0 и грубее - рабочими. Все приборы подлежат периодической поверке на соответствие метрологических характеристик, в том числе и класса точности, их паспортным значениям. При этом образцовый прибор должен быть точнее поверяемого через класс, а именно: поверка прибора с классом точности 4,0 проводится прибором с классом точности 1,5, а поверка прибора с классом точности 1,0 проводится прибором с классом точности 0,2.
Поскольку на шкале прибора приводится и класс точности прибора G, и предел измерения XN, то абсолютная погрешность прибора определяется из формулы (1.3):
https://pandia.ru/text/78/613/images/image019_7.gif" width="15 height=19" height="19"> с классом точности прибора G выражается формулой:
откуда следует, что относительная погрешность измерения равна классу точности прибора только при измерении предельной величины на шкале, т. е. когда х = XN. С уменьшением измеряемой величины относительная погрешность возрастает. Во сколько раз XN > х, во столька раз > G. Поэтому рекомендуется выбирать пределы измерения показывающего прибора так, чтобы отсчитывать показания в пределах последней трети шкалы, ближе к ее концу.
7. Представление результата измерений при однократных измерениях
Результат измерения состоит из оценки измеряемой величины и погрешности измерения, характеризующей точность измерения. По ГОСТ 8.011-72 результат измерения представляют в форме:
где А - результат измерения;
Абсолютная погрешность прибора;
Р - вероятность, при статистической обработке данных.
При этом А и https://pandia.ru/text/78/613/images/image023_5.gif" width="15" height="17"> не должна иметь более двух значащих цифр.
Основы метрологии
1. Метрология – наука об измерениях
a. Предмет и задачи метрологии
b. Метрологическое обеспечение и его структура
2. Понятие измерения, его роль и место в метрологии
a. Понятие измерения
b. Классификация измерений
c. Характеристики измерений
d. Методы измерений и их классификация
3. Единицы физических величин и их системы. Основное уравнение измерений
4. Средства измерений
a. Классификация средств измерений
b. Метрологические характеристики средств измерений
c. Классы точности средств измерений и их нормирование
d. Структурные схемы средств измерений. Связь между характеристиками и структурой средства измерений
5. Передача размера единиц от эталонов образцовым и рабочим средствам измерений. Поверка средств измерений
a. Поверка средств измерений. Основные цели и задачи. Качество поверки и ее периодичность.
b. Эталоны и образцовые средства измерений, их место в системе воспроизведения и передачи размеров единиц
c. Поверочные схемы и способы их построения.
d. Организация и проведение поверки средств измерений.
Погрешности измерения
- Общие сведения о погрешности измерения
- Классификация погрешностей
- Систематические погрешности
a. Понятие систематической погрешности
b. Причины возникновения систематических погрешностей
c. Обнаружение и исключение систематических погрешностей
- Случайные погрешности
a. Понятие случайной погрешности измерений и причины их возникновения.
b. Генеральная совокупность и ее числовые характеристики
c. Важнейшие функции распределения
d. Числовые характеристики генеральной совокупности
e. Выборка и ее характеристики
f. Построение доверительного интервала
g. Исключение грубых погрешностей
Обработка и представление результатов измерения
1. Однократные прямые измерения
2. Обработка результатов прямых измерений с многократными наблюдениями
3. Обработка и представление результатов косвенных измерений.
4. Выбор средств измерений, обеспечивающих необходимое качество измерений.
5. Обработка результатов измерений при наличии нескольких источников погрешности.
6. Представление результатов измерений
Технические средства и методы измерения электрических величин
1. Меры электрических величин, их устройство и характеристики
a) Мера ЭДС. Назначение, устройство, основные характеристики.
b) Меры сопротивления, емкости и индуктивности. Назначение, устройство, основные характеристики.
2. Аналоговые средства измерения
a) Устройство и характеристики измерительных преобразователей, используемых в средствах измерения электрического тока и напряжения
i. Пассивные преобразователи без изменения рода тока. Назначение, устройство, основные характеристики.
ii. Пассивные преобразователи с изменением рода тока
iii. Активные преобразователи
b) Электромеханические измерительные механизмы и средства измерений на их основе
i. Магнитоэлектрический измерительный механизм. Назначение, устройство, основные характеристики.
ii. Электромагнитный измерительный механизм. Назначение, устройство, основные характеристики.
iii. Электродинамический измерительный механизм. Назначение, устройство, основные характеристики.
iv. Электростатический измерительный механизм. Назначение, устройство, основные характеристики.
c) Электронные аналоговые средства измерений
i. Электронные вольтметры постоянного тока. Назначение, устройство, основные характеристики.
ii. Электронные вольтметры переменного тока. Назначение, устройство, основные характеристики.
d) Универсальный электронный осциллограф. Назначение, устройство, основные характеристики.
e) Компенсаторы и мосты постоянного тока. Назначение, устройство, основные характеристики.
3. Цифровые средства измерения
a) Принципы работы АЦП. Дискретизация во времени и квантование по уровню.
b) Восстановление сигнала по дискретным отсчетам. Теорема Котельникова (без доказательства)
c) Основные характеристики и источники погрешности АЦП.
d) Коды и системы счисления
i. АЦП последовательного счета. Принцип работы и основные характеристики.
ii. АЦП поразрядного уравновешивания. Принцип работы и основные характеристики
f) ЦАП. Принцип работы устройства сравнения.
g) Принцип работы, устройство и основные характеристики цифровых средств измерения последовательного счета
i. Цифровой измеритель временных интервалов. Назначение, устройство, основные характеристики.
ii. Цифровые фазометры (без усреднения и с усреднением). Назначение, устройство, основные характеристики.
iii. Цифровые частотомеры и периодомеры. Назначение, устройство, основные характеристики.
iv. Цифровой время-импульсный вольтметр. Назначение, устройство, основные характеристики.
«Ни одной точной науки,
ни одной прикладной науки
без измерений.
Новые средства измерений
знаменуют собой настоящий прогресс».
/акад. Якаби Б. С./
Лекция 1
1. Введение и задачи курса.
2. Общие сведения об измерениях и измерительной аппаратуре:
а) основные понятия и определения;
б) системы единиц, основные единицы системы СИ;
в) виды средств эл. измерений;
г) меры электрических величин;
д) классификация электрических измерительных приборов;
е) основные характеристики и параметры электрических измерительных приборов.
Введение
Познание окружающей нас действительности, изучения закономерностей явлений природы, развитие науки и техники неразрывно связано с измерениями.
«Наука начинается... с тех пор, как начинают измерять; точная наука немыслима без меры». - писал Д. И. Менделеев.
Измерение, т. е. определение числового значения той или иной величины, играет исключительную роль в народном хозяйстве. Нет такой области науки и техники, нет такой отрасли промышленности или сельского хозяйства, где одним из решающих факторов не было бы измерение как таковое.
Научно-технический прогресс является центральной экономической и важной политической задачей нашей страны. Стержнем научно-технического прогресса является повышение производительности труда путем автоматизации производства, автоматизации управления и ускорения научных исследований с целью быстрейшего внедрения их производства.
Главная задача 10-ой пятилетки состоит в последовательном осуществлении курса КПСС на подъем материального и культурного уровня жизни народа на основе динамичного и пропорционального развития общественного производства и повышения его эффективности, ускорения научно-технического прогресса, роста производительности труда, всемирного улучшения качества работы во всех звеньев народного хозяйства.
Для решения этих задач предусматривается в промышленности...
Расширить выпуск прогрессивных, экономичных видов машин, оборудования и примеров для всех отраслей народного хозяйства.
Увеличить выпуск приборов и средств автоматизации в 1,6-1,7 раза, средств вычислительной техники в 1,8 раза.
Развивать производство... устройств регистрации и передачи информации для автоматизированных систем управления технологическими процессами и оптимального управления в отраслях народного хозяйства.
Расширить производство приборов для нужд сельского хозяйства.
Изучение явлений природы, отыскание законов, которым эти явления подчинены, и вообще всякие научные изыскания всегда связаны с измерениями, так как такие исследования сводятся в конечном итоге к определению количественных соотношений, через которые вскрываются и качественные стороны изучаемых явлений и предметов.
Совершенствование техники измерений, проявляющееся в повышение точности измерений и в создании новых методов и приборов, способствует определенным новым достижениям в науке.
Новые открытия в науке в свою очередь приводят к совершенствованию техники измерений, а также к созданию новых приборов.
Современная информационно-измерительная техника располагает совокупностью средств измерения около двухсот различных физических величин электрических, магнитных, тепловых, механических, световых, акустических и др.
Огромное количество различных величин в процессе измерения преобразуется в величины электрические как наиболее удобные для передачи, усиления сравнения, точного измерения.
Поэтому в развитии современной информационно-измерительной технике преобладающие значение приобретает развитие средств измерений электрических величин.
Уровень развития электроизмерительной техники в значительной степени определяет состояние технического прогресса во всех отраслях народного хозяйства. 29.04.1745г. был представлен академиком Рихмоном общему собранию Петебуржской академии «Указатель электрической искры » - первый электроизмерительный прибор.
В настоящее время без качественной эл. измерительной техники невозможно проведение научных исследований на современном уровне, а также невозможно реализация потенциала современного парка ЭВМ, разработка и внедрение систем автоматизированного контроля и управления – основного средства технического прогресса и повышения производительности труда.
Электроизмерительные приборы и устройства широко применяются в промышленности при научных исследованиях, в космонавтике, на транспорте в системах связи и навигации, в геологоразведке, в гидрометеорологии и во многих других областях трудовой деятельности человека.
Это объясняется преимуществами, присущими электрическим измерениям, основными из которых являются:
1. Широкий диапазон измеряемых величин, характеризуемый 18-го разрядами (например, по напряжению от 10-14 до 106 В, по току от 10-9 до 106 А, по сопротивлению от 10-6 до 10-14 Ом);
2. Высокая чувствительность (например, по току 1*1012 мм/А, по напряжению 1·106 мм/В).
3. Высокая точность. Погрешность современных показывающих приборов доведена до 0,05%, а приборов сравнения – до 0,001%.
4. Возможность получать значение измеряемой величины не только в данный момент, но и записывать изменение ее во времени.
5. Осуществимость измерений на расстоянии (телеизмерения).
6. Возможность измерять неэлектрические величины электрическими методами.
7. Осуществимость автоматизации получения и обработки результатов измерения.
8. Возможность производить измерения без нарушения хода технологического процесса.
9. Возможность измерения как медленно так и быстро изменяющихся величин.
Выполнение величественных планов развития народного хозяйства 10-ой пятилетке, осуществление грандиозных строительств, ставят перед всеми отраслями советской промышленности новые задачи. Такие задачи стоят и перед электротехникой – в частности, и перед электроизмерительной техникой.
Увеличение выработки эл. энергии в стране к 1980 году до 1340-1380 млрд. кВт*ч, осуществление плана комплексной механизации и автоматизации производства потребуют создания качественно новых электроизмерительных приборов и устройств, замены устаревших приборов современными, основанными на новых принципах измерениях.
В настоящее время электроизмерительная техника интенсивно развивается в следующих направлениях:
а) повышение точности и быстродействия, расширение частичного диапазона, улучшение конструкции многообразных эл. измерительных приборов;
б) расширение номенклатуры и улучшение характеристик разнообразных измерительных преобразователей, широко применяемых при измерениях электрических и неэлектрических величин, а также в системах автоматического управления;
в) разработка и выпуск различных специализированных эл. измерительных установок, предназначенных для проверки эл. измерительных приборов, испытания ферромагнитных материалов и других целей;
г) выпуск и совершенствование ИИС, предназначенных для автоматического получения, передачи, обработки и представления в той или иной форме и в значениях измеряемых или контролируемых физических величин (ИИС – информационно-измерительной системы);
д) совершенствование и создание новых государственных эталонов единиц эл. величин, что обеспечивает повышение уровня точности эл. измерений.
Особую роль должны сыграть эл. измерения в электрификации с/х. Возрастающая с каждым годом автоматизация производственных процессов в животноводстве и полеводстве, внедрение эл. энергии в биологические процессы на базе общей электрификации с/х неразрывно связаны с развитием эл. измерительной техники.
В связи с автоматизацией управления и регулирования, которые все меры будут внедрять в с/х производство, значительно усложняются требования к эл. измерительной технике. Наличающийся постепенный переход к технологии поточного производства ив животноводстве и полеводстве выдвигает новые требования к технологическим измерениям, обеспечивающим высокую надежность работы и качества продукции.
Решение указанных задач сегодня требует, чтобы инженер с/х производства хорошо ориентировался в обширном круге вопросов, обладал серьезной технической эрудицией.
В частности, от инженера-электрика требуется глубокое знание теории и практики эл. измерений.
2. Общие сведения об измерениях и измерительной аппаратуре.
а) основные понятия и определения.
Количественная оценка свойств различных объектов измерения (исследования) осуществляется путем измерения физических величин, характеризующих указанные свойства.
Измерением называется познавательный процесс, заключающийся в сравнении опытным путем измеряемой величины с некоторым ее значением, принятым за единицу.
В более широком смысле
Измерение – это процесс приема и преобразования информации об измеряемой величине для получения количественного результата ее сравнения с единицей измерения в форме, наиболее удобной для исследования.
Таким образом, измерение представляет собой процесс получения информации: после измерения мы узнаем о численном значении измеряемой величины, ее связях и соотношениях с другими величинами больше, чем мы знали до измерения.
Значит, измерение это экспериментальное сравнение измеряемой величины с другой однородной величиной, принятой и узаконенной в качестве единицы. Так как измерение представляет собой физический эксперимент, оно не может быть осуществлено умозрительно, абстрактно. Из этого следует, что для любого измерения необходимы узаконенная система единиц и технические средства ее осуществления.
Результатом измерения всегда является числовое значение измеряемой величины А, которое равно отношению измеряемой величины Аиз к единице измерения Х. Иными словами, числовое значение показывает, во сколько раз измеряемая величина больше или меньше единицы измерения.
Процесс измерения, следовательно, может быть записан так:
А= Аиз/Х, откуда Аиз= А·Х, т. е. «измеряемая величина Аиз составляет столько-то А единиц Х».
Последнее уравнение называется основным уравнением измерения.
б) система единиц. Основные единицы СИ.
Системой единиц называется совокупность основных и производных единиц измерения, охватывающих некоторую область измерений физических величин.
В СССР с 1 января 1963 года введен в действие ГОСТ 9867-61, которым рекомендуется применение СИ как предпочтительной во всех областях науки и технике, а также при преподавании.
Международная система единиц (СИ) построена на семи основных единицах двух дополнительных и 27 производных.
Основные единицы СИ.
Размер основных единиц устанавливается независимо от размеров других единиц.
Производные единицы – определяются уравнениями связи, выражающими математическую зависимость данной единицы от других единиц.
|
Наименование величины |
Единица измерения |
Сокращенное обозначение |
||
|
русское |
латинское |
|||
|
килограмм |
||||
|
Сила эл. тока |
||||
|
Термодинам. температуры |
||||
|
Сила света |
||||
|
Количество вещества |
моль |
|||
Дополнительные единицы
1. Радиан – угол между двумя радиусами круга, вырезающими на его окружности дугу, длина которой равна радиусу (единицы линейного угла).
2. Стерадиан – телесный угол, величина которого расположена в центре сферы и который вырезает на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной равной радиусу сферы (единицы телесного угла).
В измерительной практике очень часто пользуются кратными и дольными единицами. Они образуются путем умножения целых единиц на 10к, где к – целое число. При этом к наименованиям единиц прибавляют соответствующие приставки.
|
Дольность или кратность |
Наименование приставки |
Сокращенные обозначения (русское) |
Дольность или кратность |
Наименование приставки |
Сокращенное обозначение (русское) |
Виды средств электрических измерений.
Средствами электрических измерений называют технические средства, используемые при электрических измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства.
Различают следующие виды средств электрических измерений:
2. Электрические измерительные приборы.
3. Измерительные преобразователи.
4. Электроизмерительные установки.
5. Измерительные информационные системы (ИИС).
Мерами называют средства измерений, предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера. (Вещественно воспроизведенная единица измерения).
Различают однозначные, многозначные меры и набор мер.
Однозначная мера воспроизводит физическую величину одного размера.
Многозначная мера воспроизводит ряд одноименных величин различного размера (конденсатор переменной емкости, вариометр 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 (магазин сопротивлений).
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.
Меры электрических величин.
В практике электрических измерений в качестве мер широко используют меры э. д.с., электрических сопротивлений, индуктивности, взаимоиндуктивности и емкости.
Мера Э. Д.С. Образцовой мерой э. д.с. служит нормальный элемент, представляющий собой гальванический элемент, характеризующийся весьма стабильным значением, развиваемой им э. д.с. Э. Д.С. н. э. отличаются от 1 В, но она точно известна. Это достигается подбором составных частей элемента из строго определенных по химическому составу веществ, точной их дозировкой и строго однообразной конструкцией. При температуре 20оС э. д.с. насыщенного н. э. составляет 1.0185 – 1.0187 В, т. е. наиболее допустимое расхождение значений э. д.с. превосходит 200 мкВ. Н. Э. изготавливают двух типов: насыщенные и ненасыщенные, отличающиеся друг от друга конструкцией, электролитом и стабильностью развиваемой э. д.с. Ненасыщенные – имеют меньшее внутренние сопротивление (~300 Ом) и малый температурный коэффициент. При температуре от 10 до 40оС – не превышает 15 мкВ на 1оС. У насыщенных – температурный коэффициент в 4 раза больше э. д.с.
Н. Э. мало меняется во времени. Согласно ГОСТ 1954 – 64, допускается изменение э. д.с. насыщенного н. э. за год не более 50 – 100 мкВ.
В зависимости от точности определения э. д.с., ее стабильности н. э. подразделяются на классы.
Н. Э. не может быть использован как источник электрической энергии, его нельзя нагружать током, превышающим допустимые значения.
Меры электрического сопротивления выполняют в виде образцовых измерительных катушек сопротивления или измерительных магазинов сопротивления. Значение сопротивлений их 10±n Ом, где n – целое число.
Образцовые катушки снабжают двумя парами зажимов, два из которых называются токовыми и предназначены для включения образцовой катушки в цепь тока, два других называются потенциальными. Сопротивление между потенциальными зажимами равно сопротивлению образцовой катушки к потенциальным зажимам присоединяются провода, идущие к измерительной схеме.
К материалу, из которого изготавливаются катушки, предъявляются следующие требования:
1) возможно больше удельное сопротивление;
2) наименьшей температурный коэффициент и термо э. д.с. в паре с другими металлами;
3) устойчивость металла провода против окисления.
Этим требованиям лучше всего удовлетворяет манганин.
В зависимости от погрешности образцовых сопротивлений и других характеристик (изменение сопротивлений с течением времени, допустимой мощности и др.) образцовые сопротивления делятся на классы точности, для которых погрешности и другие характеристики нормируются соответствующими ГОСТ.
Меры индуктивности и взаимоиндуктивности.
Меры L и M выполняют в виде отельных катушек или магазинов. Образцовые катушки индуктивности и взаимной индуктивности обычно изготавливают в виде плоских катушек из изолированной тонкой проволоки, намотанной на каркас. Катушки должны обладать постоянство индуктивности, малым активным сопротивлением, независимостью индуктивности от величины тока и возможно малой зависимостью индуктивности от чистоты тока.
Для получения независимости L катушки от силы тока каркас катушки изготавливают из материала, М которого равна единицы и не зависит от магнитной индукции в нем (фарфор, мрамор, керамика, пластмассы, реже – дерево). Для обмоток выбирают многожильный провод (для уменьшения влияния частоты – уменьшают распределенную емкость).
Катушки взаимной индуктивности состоят из двух обмоток, жестко укрепленных на общем каркасе.
Мерами с переменными значениями L и М служат вариометры.
Меры емкости . Ими служат воздушные (не более 11000 пФ) или слюдяные конденсаторы постоянной и переменной емкости.
Образцовые меры емкости должны обладать постоянством емкости и малым ее температурным коэффициентом, весьма малыми потерями энергии в диэлектрике, независимостью емкости от частоты и формы кривой тока и высоким сопротивлением и прочностью изоляции.
Классификация мер и измерительных приборов.
Электрические измерительные приборы весьма разнообразны по принципу действия и конструктивному оформлению, вследствие различных требований, предъявляемых к ним.
Меры и измерительные приборы можно классифицировать по ряду признаков.
1. По функциональному признаку:
а) средства сбора, обработки и представления информации;
б) средства аттестации и проверки.
а) рабочие меры и измерительные приборы;
б) образцовые меры и измерительные приборы;
в) эталоны.
Эталон – это мера, воспроизводящая единицу измерения с наибольшей для данного исторического времени точностью.
2. По способу представления результатов измерения:
а) показывающие;
б) регистрирующие.
3. По методу измерения:
а) непосредственного отсчета;
б) сравнения.
4. По способу применения и по конструкции:
а) переносные;
б) стационарные.
5. По точности измерения:
а) измерительные;
б) индикаторы;
в) указатели.
6. По способу воспроизведения измеряемой величины:
а) аналоговые;
б) цифровые.
Аналоговые – электрические измерительные приборы, показания которых являются непрерывными функциями изменений измеряемой величины.
Цифровые – электрические измерительные приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы изменения информации, показания которых представлены в цифровой форме.
Чтоб измерять электрическую величину используют технические средства, которые имеют определенные метрологические характеристики. Их называют средствами измерения.
Измерительные установки и приборы, меры, измерительные преобразователи – это все относится к средствам измерения.
Для воспроизведения заданного значения физической величины используют меры.
Меры электрических величин – индуктивность, ЭДС, электрическое сопротивление, электрической емкость и т.д. Образцовыми называют меры высшего класса, по ним сверяют приборы и проводят градуировку шкал устройств.
Устройства, которые вырабатывают электрический сигнал в форме удобной для обработки, передачи, дальнейшего преобразования или хранения, но не поддающиеся непосредственному восприятию называют измерительными преобразователями. Для преобразования электрических величин в электрические относят: делители напряжения, шунты и т.д. Не электрических в электрические (датчики давления, энкодеры).
Если форма сигналов доступна для наблюдения – это измерительные приборы (вольтметры, амперметры и т.д.).
Совокупность измерительных приборов и преобразователей, мер, которые располагаются в одном месте и генерирует при измерении форму сигнала, удобную для наблюдению именуют измерительной установкой.
Все выше перечисленные средства можно рассортировать по следующим признакам: по способу регистрации и представления информации, ее виду и методу измерения.
По виду получаемой информации:
- Электрические (мощность, ток и т.д.);
- Не электрические (давление, скорость);
По методу измерения:
- Сравнение (компенсаторы, измерительные мосты);
- Непосредственная оценка (ваттметр, вольтметр);
По способу представления:
- Цифровые;
- Аналоговые (электронные или электромеханические);
Электроизмерительные приборы характеризуют такими основными показателями как: чувствительность, время установления показаний, надежность, погрешность, вариации показаний.
Самая большая разность показаний одного и того же устройства при одном и том же показании измеряемой величины называют вариацией показаний. Основная причина ее появления это трения в подвижных частях устройств.
Приращение перемещения указателя ∆а, относящееся к приращению измеряемой величины ∆х величают как чувствительность прибора S:
Если шкала устройства равномерна, то формула будет иметь вид:
Постоянная или цена деления прибора – обратная величина чувствительности С:
Равна она числу измеряемой величины на одно деление шкалы.
Потребляемая устройством из цепи мощность изменяет режим работы цепи. Это увеличивает вероятность появления погрешностей при измерении. Отсюда делаем вывод: чем меньше мощность, потребляемая из цепи, тем точнее прибор.
Время, за которое на дисплее (если приборы цифровые) или шкале (аналоговые), установится значение измеряемой величины после начала измерения – время установления показаний. Для аналоговых стрелочных устройств не должно превышать 4 секунды.
Сохранение заданных характеристик, точность показаний при установленных условиях работы и в течении заданного промежутка времени называют надежностью. Еще она характеризуется как среднее время исправной работы устройства.
Можно сделать вывод что при выборе измерительных устройств необходимо учитывать множество факторов, для корректной работы данных средств. Например, такие средства измерения как трансформаторы тока активно используются при измерении токов силовых линий, и не корректный выбор данных средств измерения может привести к авариям на линиях, вывода из строя дорогостоящего оборудования и остановки производства или отключением от питания целых городов.
Ниже вы можете посмотреть видео об основах метрологии и измерениях различных величин.