Назначение и особенности электротехнических измерений

Можно выделить три главные функции электротехнических измерений в современном мире:

 • контроль и регулирование технологических процессов;

• контроль физических величин, технических параметров, характе­ристик

 процессов при научных исследованиях;

• учет продукции при различных формах хозяйствования.

Основными видами электротехнических измерений, выполняемых на постоянном и переменном токе промышленной частоты 50 Гц, являются определение силы тока, напряжения, со­противления, мощности и энергии. Для отсчета значений этих параметров служат стрелочные индикаторы электро­магнитной, магнитоэлектрической, электродинами- ческой или ферродинамической системы, к чувствительности ко­торых не предъявляют жестких требований, так как из­мерения выполняют в цепях большой мощности. При этом потребляемый индикатором ток должен быть гораздо мень­ше токов в контролируемых цепях.

Электротехнические измерения широко используются во многих сферах жизни:

• медицине (компьютерная томография, кардиографы);

• торговле (весовая измерительная база, терминалы);

• службе ГИБДД (определение скорости перемещения автомобиля);

• службе времени (разнообразные часы);

• быту (счетчики для учета расхода воды, электроэнергии, тепла).
 В этой связи электротехническим измерениям характерны:

• расширение пределов измеряемых величин и повышение точности их измерений;

• разработка новых методов измерений и приборов с использо­ванием новейших физических принципов действия;

• внедрение автоматизированных измерительных систем, обла­дающих высокой точностью, быстродействием и надежностью.

 Электротехническим измерениям свойственен ряд особенностей:

1. широкий диапазон измеряемых величин: по мощности - от долей микроватт (10^-6;) до десятков и сотен мегаватт (10⁶); по напряжению - от долей микровольт (10^-6) до десятков киловольт (10³); по времени - от нескольких пикосекунд (10 ¹²) до нескольких секунд. Такие широкие диапазоны не могут быть перекрыты приборами одного типа, одной конструкции или одно­ го принципа действия.

2. применение приборов для наблюдения и регистрации колебаний (осциллографов, анализаторов спектров) и источников электрических колебаний (измерительных генераторов).

3. разнообразие измерений даже в одном эксперименте, необходимость комплексного их проведения, быстродействие, точность, а следовательно, автома­тизация измерений.

4.  при увеличении частоты(до сотен и тысяч мегагерц)возрастает влияние собственных индуктивностей и емкостей приборов, имеющих катушки и стальные сердечники, Зависимость индуктивного, емкостного и комплексного сопротивления выражается известными формулами:

В области низких частот, когда емкостное сопротивление Х_С(Х_С = 1/2pf*С_вх) велико по сравнению с активным сопротивлением Х_С » R_BX, практически входное сопротивление измерительного прибора Z_BX = Х_С.

 В области высоких частот входное сопротивление прибора определяется в основном активным сопротивлением и Z_BX= R_BX так как R_BX  » Х_С

Прямые — измерения, при которых физическая величина определя­ется непосредственно по индикатору прибора: напряжение — вольтме­тра,  частота — частотомера, сила тока — амперметра.

Прямые измерения характеризуют формулой

А = х

Где: х — значение величины, найденное путем ее измерения и называемое результатом измерения.

Косвеннымназывают измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. При косвенных измерениях интересующая нас величина находится расчетным путем по результатам измерений других величин, связан­ных с искомой величиной определенной функциональной зависимо­стью.

Косвенные измерения можно охарактеризовать следующей формулой:

где : х₁ х₂, ... , х_т — результаты прямых измерении величин, связанных функциональной зависимостью с искомым значением измеряемой величины А.

Например, измерив силу тока и напряжение, на основании из­вестной формулы можно определить мощность:

К косвенным измерениям относится определение значения сопротивления по известным значениям силы тока в цепи и падении напряжения на данном резисторе.

Совокупными называют проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых их значения находят решением системы уравнений, получаемых при прямых или косвенных измерениях различных сочетаний этих величин.

Например, измеряя сопротивления R_аb, R_ас и R_bс между вершинами треугольника электрической цепи, в котором соединены сопротивления резисторов R₁, R₂ R₃ (рис. 1.3.1) и, решая систему уравнений можно определить искомые значения сопротивлений:

Рис. 1.1.3 Пример совокупных измерений

Совместными называют проводимые одновременно измерения двух или нескольких не одноименных величин для установления зависимости между ними.

Как видно из определений, совокупные и совместные измерения весьма близки друг к другу. В обоих случаях искомые значения находят в результате решения системы уравнений, коэффициенты в которых получены путем прямых измерений. Отличие состоит в том, что при совокупных измерениях одновременно определяют несколько одноименных величин, а при совместных — разноименных.

Наиболее известный пример совместных измерений — определение зависимости сопротивления резистора от температуры.

Косвенные, совместные и совокупные измерения объединены общим свойством: их результаты рассчитывают по известным функциональным зависимостям между измеряемыми величинами и величинами, определяемыми прямыми измерениями.

 Различие между этими видами измерений заключается лишь в виде функциональной зависимости, используемой при расчетах. При косвенных измерениях она выражается одним уравнением в явном виде, при совместных и совокупных — системой неявных уравнений.

Основные методы измерений

Современные методы измерений принято делить на метод непосредственной оценкии метод сравнения (рис. 1.2.1).

При методенепосредственной оценкиприменяется прямой вид измерения, описанный выше.  

                            Рис. 1.2.1  Классификация методов измерения

Быстрота процесса измерения методом непосредственной оценки делает его часто незаменимым на практике, хотя точность измерения обычно ограничена. Приборы, реализующие измерение по методу непосредственной оценки, называют измерительными приборами непосредственной оценки.

Метод сравнения— метод измерений, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Это может быть, например, измерение напряжения постоянного тока путем сравнения с ЭДС эталонного элемента. В отличие от приборов непосредственной оценки,удобных для получения оперативной информации, приборы сравнения обеспечивают большую точность измерений.

Различают следующие разновидности метода сравнения:

• нулевой метод, при котором действие измеряемой величины полностью уравновешивается образцовой;

 • дифференциальный метод, когда измеряется разница между измеряемой величиной и близкой ей по значению известной эталонной(например, измерение электрического сопротивления методом неуравновешенного моста); этот метод сравнения используют тогда, когда практическое значение имеет отклонение измеряемой величины от некоторого номинального значения (уход частоты, отклонение напряжения и т.д.);

• метод замещения, при котором действие измеряемой величины замещается образцовой.

Нулевой метод обеспечивает наибольшую точность измерений физической величины. Его разновидностями являются:

• компенсационный метод, при котором действие измеряемой величины компенсируется (уравновешивается) образцовой;

• мостовой метод, когда достигают нулевого значения тока в измерительной диагонали моста, в которую включается чувствительный индикаторный прибор (обычно нуль-индикатор).