ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Измерительная техника, в том числе техника электрических измерений, играет чрезвычайно важную роль в научно-техническом прогрессе. Она используется почти во всех областях народного хозяйства. Уров­нем ее развития во многом определяются совершенство технологичес­ких процессов, качество изделий и достижения в научных исследовани­ях. В электроизмерительных устройствах используются новейшие достижения электротехники, электроники, автоматики и вычислительной техники. Это способствует повышению быстродействия, чувствитель­ности, точности и других показателей электроизмерительных приборов, требования к которым непрерывно возрастают.

Электрические методы применяются для измерения как электричес­ких, так и неэлектрических величин. Большую роль играют измерения таких электрических величин, как ток, напряжение, мощность. Эти из­мерения особенно важны в системах распределения электроэнергии, на электростанциях, в автоматических системах управления производством.

Электроизмерительные приборы и устройства широко использу­ют в промышленности непосредственно для контроля и управления производственными процессами. Это стало возможным и необходи­мым вследствие того, что электрические методы измерений позволя­ют проводить измерения на объектах, находящихся в экстремальных условиях (агрессивные среды, высокие и низкие температуры, давле­ния), измерять крайне малые и очень высокие скорости протекания процессов, исследовать объекты, удаленные на большие расстояния и др. При этом измерению подлежат различные тепловые, механичес­кие, оптические и другие неэлектрические величины.

В 30-х г г. XIX в. были разработаны гальванометры — приборы для измерения электрического тока (Б.С. Якоби, 1839) — и баллистические гальванометры для измерения магнитного потока (Э.Х. Ленц, 1832). В 50-е годы были разработаны применяемые до сих пор методы измере­ний — компенсационный (И. Поггендорф, 1841) и мостовой (Ч. Уинс­тон, 1843). В соответствии с требованиями научных исследований, а также практического использования и распределения электрической энер­гии в 40 — 60-х гг. были разработаны первые конструкции необходи­мых для измерений сопротивлений реостатов (Б.С. Якоби), реохордов (И.Поггендорф) и магазинов сопротивлений.

Во второй половине XIX в. и в начале XX в. выдающийся русский электротехник М.О.Доливо-Добровольский разработал конструкции электромагнитных амперметров и вольтметров, индукционного измери­тельного механизма, ферродинамического измерительных механизмов.

Накопление большого количества новых фактов и закономернос­тей привело к необходимости введения единых систем электрических единиц и мер. К 1880 г. на практике использовалось 15 различных единиц электрического сопротивления, восемь единиц ЭДС, пять еди­ниц электрического тока. Это затрудняло общение между учеными и исследователями разных стран и школ, сравнение полученных резуль­татов расчетов и экспериментов.

В 1893 г. на Чикагском электротехническом конгрессе были утвер­ждены международные электрические единицы и эталоны. Много сде­лали в отношении стандартизации и метрологии Б.С. Якоби и Д.И. Менделеев. По инициативе Д.И. Менделеева впервые в Петербурге при Главной палате мер и весов было организовано отделение для по­верки электротехнических приборов.

В 30 — 40-х гг. XX в. были созданы крупнейшие электроприборос­троительные заводы в Ленинграде, Москве, Краснодаре и других го­родах. С 1948 по 1967 г. объем продукции приборостроения возрос по сравнению с довоенным в 200 раз.

Новые требования, предъявляемые к средствам электроизмери­тельной техники, обусловливают совершенствование классических типов электроизмерительных приборов и создание новых.

Часто электроизмерительные приборы выполняют функции не толь­ко измерения, но также сигнализации, контроля и управления. Такое расширение функций средств измерения вызывает увеличение их номен­клатуры, возрастание метрологических требований к электроизмери­тельным приборам, совершенствование стандартов и эталонов Выпус­кается агрегатированный комплекс средств электроизмерительной тех­ники (АСЭТ), входящий в государственную систему приборов (ГСП). Дальнейшее развитие получают электронные (аналоговые и цифровые) измерительные приборы, отличающиеся высокой точностью, помехоус­тойчивостью, быстродействием и удобством отсчета. Здесь ярко выра­жено сочетание последних достижений теории электрических измерений с современной микроэлектронной элементной базой. Разрабатываются измерительные следящие системы, обеспечивающие возможность осу­ществления массовых измерений и получения потоков измерительной информации, обработки результатов измерений на электронных вычис­лительных машинах. (Более подробно электронные измерительные при­боры рассмотрены в гл.8).

Основные понятия метрологии

Измерение — познавательный процесс, заключающийся в сравнении путем эксперимента измеряемой физической величины с некоторым ее значением, принятым за единицу. Поэтому измерением называют нахож­дение значений физических величин опытным путем с помощью специ­альных технических средств.

Средства электрических измерений — технические средства, исполь­зуемые при электрических измерениях и имеющие нормированные мет­рологические характеристики. К средствам электрических измерений от­носятся меры, электроизмерительные приборы, измерительные преобра­зователи, электроизмерительные установки и измерительные информаци­онные системы.

Мера — средство измерения, предназначенное для воспроизведения заданного значения физической величины.

В зависимости от степени точности и области применения меры под­разделяются на эталоны, образцовые и рабочие. Эталоны обеспечивают воспроизведение и хранение единицы физической величины для передачи ее значения другим средствам измерения. Образцовые меры служат для поверки и градуировки рабочих мер и измерительных приборов. Рабочие меры используют для поверки измерительных приборов, а также для из­мерения в научных организациях и на промышленных предприятиях.

Электроизмерительные приборы — средства электрических измере­ний, предназначенные для выработки сигналов измерительной информа­ции в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдате­лем. К ним относятся, например, амперметры, вольтметры, ваттметры, счетчики электрической энергии.

Измерительные преобразователи — средства электрических измере­ний, предназначенные для выработки сигнала электрической информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблю­дателем. Их подразделяют на преобразователи электрических величин в электрические (шунты, делители напряжения, измерительные трансфор­маторы и т. д) и преобразователи неэлектрических величин в электри­ческие — первичные преобразователи (терморезисторы, термопары, тензорезисторы, емкостные и индуктивные преобразователи и т.д.).

Электроизмерительная установка — совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных приборов, изме­рительных преобразователей) и вспомогательных устройств, предназна­ченная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, и расположен­ная в одном месте.

Измерительная информационная система — совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации от ряда источников в форме, удобной для обработки, передачи и использова­ния в авгоматических системах управления.

Виды и методы измерений. В зависимости от способа получения результата измерения подразделяются на два вида: прямые и косвенные.

Прямыми называют измерения, при которых искомое значение физи­ческой величины определяют непосредственно по показанию прибора (измерение тока амперметром, электроэнергии счетчиком, напряжения вольтметром и др.).

Косвенными называют измерения, при которых искомое значение фи­зической величины находят на основании известной функциональной за­висимости между этой величиной и величинами, полученными в резуль­тате прямых измерений. Примером может служить определение электри­ческого сопротивления по показаниям амперметра и вольтметра.

В зависимости от совокупности приемов использования принципов и средств измерений все методы делятся на методы непосредственной оцен­ки и метода сравнения.

Под методом непосредственной оценки понимают метод, при котором значение измеряемой величины определяют непосредственно по показа­нию отсчетного устройства измерительного прибора прямого действия (значение тока — по показанию амперметра, значение напряжения — по показанию вольтметра и др.)

Методом сравнения называют метод, при котором измеряемая вели­чина в специальной измерительной цепи сравнивается с величиной, вос­производимой мерой. Методы сравнения подразделяют на нулевой, диф­ференциальный и замещения.

Нулевой метод — метод сравнения измеряемой величины с мерой, в котором результирующий эффект воздействия сравниваемых величин на прибор сравнения доводят до нуля.

Дифференциальный метод — метод сравнения, в котором на измери­тельный прибор воздействует разность измеряемой величины и величи­ны, воспроизводимой мерой (например, измерение электрического сопро­тивления с помощью неуравновешенного моста)

Метод замещения — метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают в измерительной установке известной величиной, воспроизводимой мерой. При этом путем изменения известной величины добиваются такого же показания прибора, которое было при действии изме­ряемой величины (например, сравнение сопротивления резистора с сопро­тивлением образцовой катушки, включаемых попеременно в одно и то же плечо моста).

Рис. 1.1. к вопросу 1.1.

Вопрос 1.1. К какому виду и методу относятся измерения мощности Р_х

(рис 1.1, аи б), параметров R_хиL_х (рис 1.1, в), напряжения U_х (рис 1.1, г), сопротивления R_х(рис 1.1,д).

Варианты ответа:

Рис. 1.1, а

1.1.1. Прямые измерения, метод непосредственной оценки.

1.1.2. Косвенные измерения, метод непосредственной оценки.

Рис. 1.1, б

1. 1.3. Прямые измерения, метод непосредственной оценки.

1.1.4. Косвенные измерения, метод непосредственной оценки.

Рис. 1.1,в

1.1.5. Прямые измерения, метод непосредственной оценки.

1. 1.6. Косвенные измерения, метод непосредственной оценки.

Рис. 1 .1,г

1.1.7. Прямые измерения, метод сравнения.

1.1.8. Косвенные измерения, метод сравнения.

Рис. 1.1, д

1.1. 9. Прямые измерения

1.1.10.  Косвенные измерения, метод сравнения.