Учебное пособие по дисциплине "электротехнические измерения". Основные методы электрических измерений Метод непосредственной оценки электрических измерений
![Учебное пособие по дисциплине](https://i0.wp.com/studfiles.net/html/2706/533/html_41GwzJAfJl.wwPQ/img-NismFD.png)
Описание презентации по отдельным слайдам:
1 слайд
Описание слайда:
2 слайд
Описание слайда:
1.Прямые и косвенные измерения. 2. Методы измерений 3. Классификация погрешностей 4. Характеристики электроизмерительных приборов
3 слайд
Описание слайда:
Измерением называется нахождение значений физических величин опытным путем с помощью специальных технических средств. Прямые измерения – при которых значение измеряемой величины находят непосредственно из опытных данных – сравнением ее размера с размером, воспроизводимым мерой, или в виде показания измерительного прибора (измерение длины линейкой, температуры –термометром, напряжения –вольтметром). Мера - средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера (гиря, метр, токовые весы). Косвенные – те, при которых значение измеряемой величины находят по промежуточным результатам прямых измерений других величин, связанных с измеряемой известной зависимостью. Например, мощность Р=UI можно найти по результатам измерений напряжения U вольтметром и силы тока I амперметром.
4 слайд
Описание слайда:
Методы измерений - совокупность приемов использования средств и принципов измерений. При измерениях электрических величин применяются методы непосредственной оценки и сравнения.
5 слайд
Описание слайда:
Метод непосредственной оценки основан на использовании измерительных приборов, шкалы которых проградуированы в единицах измеряемой величины. При этом получают значение измеряемой величины непосредственно, без каких-либо дополнительных действий со стороны лица, проводящего измерение, и без вычислений, кроме умножения его показаний на постоянную измерительного прибора или цену деления.
6 слайд
Описание слайда:
Из методов сравнения в электрических измерениях чаще других используются: методы противопоставления, дифференциальный и нулевой методы. Метод противопоставления состоит в том, что на вход сравнивающего устройства (компаратора) одновременно подаются сигналы измеряемой величины и одноименной ей величины, размер которой воспроизводится мерой, а соотношение между ними определяют по выходному сигналу сравнивающего устройства (например, измерение напряжения постоянного тока с помощью компенсатора путем сравнения с ЭДС нормального элемента). Дифференциальный метод измерений заключается в том, что на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и величины, размер которой воспроизводится мерой.
7 слайд
Описание слайда:
Нулевой метод измерений состоит в том, что результат измерения, равный разности между измеряемой величиной и величиной, размер которой воспроизводится мерой, доводят до нуля. R1·R4 = R2·R3- условие равновесия моста
8 слайд
Описание слайда:
Средствами измерений называют технические средства, предназначенные для использования при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики. Погрешности измерений определяются главным образом погрешностями средств измерений, но они не тождественны им. В зависимости от формы числового выражения погрешности независимо от вида различают: абсолютные и относительны – для измерений; абсолютные, относительны и приведенные – для средств измерений.
9 слайд
Описание слайда:
Абсолютная погрешность – это разность между измеренной величиной (показанием прибора) и действительным значением измеряемой величины, т.е. для измерений (1) Относительная погрешность (в %), определяется как Приведенная погрешность(в%) выражается как отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению.
10 слайд
Описание слайда:
В зависимости от характера и причин появления погрешности измерений и средств измерений делят на систематические (детерминированные) и случайные (индетерминированные, стохастические). Различают еще грубые погрешности и промахи.
11 слайд
Описание слайда:
Систематическая погрешность – составляющая погрешности измерения, которая при повторении равноточных измерений неизменного размера остается постоянной или закономерной. Эта погрешность может быть изучена и результат может быть уточнен путем внесения поправок, если числовые значения этих погрешностей определены, или путем применения таких способов измерения, которые дают возможность исключить влияние систематических погрешностей без их определения. Числовые значения систематической погрешности определяются путем поверки средств измерений.
12 слайд
Описание слайда:
Случайная погрешность - составляющая погрешности измерения, которая при повторении измерений изменяется случайным образом. Случайные погрешности могут быть обнаружены при повторных измерениях одной и той же величины, когда получаются неодинаковые результаты. Их нельзя исключить (так, как неизвестны причины, их вызвавшие), но их влияние на результат измерения может быть теоретически учтен при обработке результатов измерений методами теории вероятностей и математической статистики.
13 слайд
Описание слайда:
Грубая погрешность- погрешность, существенно превышающая ожидаемую. Результаты с грубыми погрешностями обнаруживают и исключают из рассмотрения. Промах – следствие неисправности средства измерений, ошибочного считывания показаний, их записи и т.п.
14 слайд
Описание слайда:
В зависимости от условий применения средств измерений их систематические погрешности подразделяются на основные и дополнительные. Основная – погрешность средств измерений в условиях, которые установлены нормативно-техническими документами как нормальные для данных средств измерений. Дополнительными погрешностями называют изменения погрешности средства измерений, вызванные отклонениями влияющих величин от нормальных значений.
15 слайд
Описание слайда:
Класс точности средства измерений - обобщенная его характеристика, определяемая пределами основной и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами средства измерений, влияющими на его точность. Средствам измерений с двумя или более диапазонами измерений одной и той же физической величины допускается присваивать два или более классов точности. Пределы допустимых основной и дополнительных погрешностей средства измерений определенного класса точности выражают в форме абсолютных, относительных и приведенных погрешностей в зависимости от характера их связи с информативным параметром входного или выходного сигнала.
16 слайд
Описание слайда:
На шкале прибора: 1. Род тока 2 Класс точности 3. Год выпуска, заводской № 4. № стандарта на эту группу приборов 5. обозначение прибора 6. заводской товарный знак 7. степень защищенности от полей 8. принцип действия.
17 слайд
Описание слайда:
1. В цепи протекает ток 20 А. Амперметр показывает 20,1 А. Найдите относительную погрешность измерения 2. Класс точности прибора 1,0. Чему равна приведенная погрешность прибора?
18 слайд
Описание слайда:
1.Назовите основные единицы измерения в СИ 2. Что такое электрические измерения? 3. Чем характеризуется точность измерения? 4. На шкале прибора нанесён знак. Какой это прибор?
19 слайд
Описание слайда:
Средствами измерений называют технические средства, предназначенные для использования при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики. Метрологические характеристики средств измерений - характеристики, от которых зависит точность результатов измерений, выполняемых с помощью этих средств. Набор мер - комплект конструктивно обособленных мер, применяемых в различных сочетаниях (магазин резисторов, магазин емкостей и т. п.). Измерительным прибором называют средство измерений, предназначенное для выработки сигнала в форме, доступной для непосредственного восприятия измерительной информации наблюдателем, благодаря наличию отсчетного устройства (вольтметр, амперметр). Измерительный преобразователь - средство измерений, предназначенное для преобразования входного измерительного сигнала в выходной сигнал, удобный для дальнейшего преобразования, передачи, обработки и хранения измерительной информации, но не поддающийся непосредственному восприятию наблюдателем (измерительный трансформатор, калиброванный шунт и т. п.). Измерительная система - совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи.
20 слайд
Описание слайда:
Параметр измерительного сигнала, содержащий измерительную информацию, называется информативным параметром. Эталон - средство измерений, обеспечивающее воспроизведение и (или) хранение единицы с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной таблице средствам измерений и официально утвержденное в качестве эталона. Средства измерения весьма разнообразны по назначению, принципу действия, метрологическим характеристикам и другим параметрам. Рассмотрим наиболее общие из них.
Прямыми измерениями называют такие измерения, которые получены непосредственно с помощью измерительного прибора. К прямым измерениям можно отнести измерение длины линейкой, штангенциркулем, измерение напряжения вольтметром, измерение температуры термометром и т.п. На результатах прямых измерений могут оказать влияние различные факторы. Поэтому погрешность измерений имеет различный вид, т.е. имеет место погрешность прибора, систематические и случайные погрешности, ошибки округления при снятии отсчета со шкалы прибора, промахи. В связи с этим важно выявить в каждом конкретном эксперименте, какая из ошибок измерения является наибольшей, и если окажется, что одна из них на порядок превышает все остальные, то последними погрешностями можно пренебречь.
Если же все учитываемые погрешности по порядку величины одинаковы, то необходимо оценить совместный эффект нескольких различных погрешностей. В общем случае суммарная ошибка подсчитывается по формуле:
где – случайная погрешность, – погрешность прибора, – погрешность округления.
В большинстве экспериментальных исследований физическая величина измеряется не прямо, а через другие величины, которые в свою очередь определяются прямыми измерениями. В этих случаях измеряемая физическая величина определяется через прямо измеренные величины посредством формул. Такие измерения называются косвенными. На языке математики это означает, что искомая физическая величина f связана с другими величинами х 1, х 2, х 3, … ,. х n функциональной зависимостью, т.е
F = f (x 1 , x 2 ,….,х n )
Примером таких зависимостей может служить объем шара
.
В данном случае косвенно измеряемой величиной является V - шара, которая определится при прямом измерении радиуса шара R. Данная измеряемая величина V является функцией одной переменной.
Другим примером может быть плотность твердого тела
.
(8)
Здесь – является косвенно измеряемая величина, которая определяется прямым измерением массы тела m и косвенной величиной V . Данная измеряемая величина является функцией двух переменных, т.е.
= (m, V)
Теория погрешностей показывает, что погрешность функции оценивается суммой погрешностей всех аргументов. Погрешность функции будет тем меньше, чем меньше погрешностей её аргументов.
4.Построение графиков по экспериментальным измерениям.
Существенным моментом экспериментального исследования является построение графиков. При построении графиков, прежде всего необходимо выбрать систему координат. Наиболее распространенной является прямоугольная система координат с координатной сеткой, образованной равностоящими друг от друга параллельными прямыми (например, миллиметровая бумага). На осях координат через определенные промежутки наносятся деления в определенном масштабе для функции и аргумента.
В лабораторных работах при изучении физических явлений приходится учитывать изменения одних величин в зависимости от изменения других. Например: при рассмотрении движения тела устанавливается функциональная зависимость пройденного пути от времени; при изучении электросопротивления проводника от температуры. Можно привести еще множество примеров.
Переменную величину У называют функцией другой переменной величины Х (аргумент), если каждому значение У будет соответствовать вполне определенное значение величины Х , то можно записать зависимость функции в виде У = У(Х) .
Из определения функции следует, что для её задания необходимо указать два множества чисел (значений аргумента Х и функции У ), а так же закон взаимозависимости и соответствия между ними (Х и У ). Экспериментально функция может быть задана четырьмя способами:
Таблицей; 2. Аналитически, в виде формулы; 3. Графически; 4. Словесно.
Например: 1. Табличный способ задания функции –зависимости величины постоянного тока I от величины напряжения U , т.е. I = f (U ) .
Таблица 2
2.Аналитический способ задания функции устанавливается формулой, при помощи которой по заданным (известным) значениям аргумента можно определить соответствующие значения функции. Например, функциональная зависимость, приведенная в таблице 2, может быть записана формулой:
(9)
3.Графический способ задания функции.
Графиком функции I = f (U ) в декартовой системе координат называется геометрическое место точек, построенное по числовым значениям координатной точки аргумента и функции.
На рис. 1 построен график зависимости I = f (U ) , заданный таблицей.
Точки, найденные на опыте и наносимые на график, отмечаются отчетливо в виде кружочков, крестиков. На графике для каждой построенной точки необходимо указывать погрешности в виде «молоточков» (см. рис 1). Размеры этих «молоточков» должны быть равны удвоенному значению абсолютных ошибок функции и аргумента.
Масштабы графиков надо выбирать так, чтобы наименьшее расстояние, отсчитываемое по графику, было бы не меньше наибольшей абсолютной погрешности измерений. Однако такой выбор масштаба не всегда удобен. В некоторых случаях удобней взять по одной из осей несколько больший или меньший масштаб.
Если исследуемый интервал значений аргумента или функции отстоит от начала координат на величину, сравнимую с величиной самого интервала, то целесообразно перенести начало координат в точку, близкую к началу исследуемого интервала, как по оси абсцисс, так и по оси ординат.
Проведение кривой (т.е. соединение экспериментальных точек) через точки обычно осуществляется в соответствии с идеями метода наименьших квадратов. В теории вероятностей показано, что наилучшим приближением к экспериментальным точкам будет такая кривая (или прямая), для которой сумма наименьших квадратов отклонений по вертикали от точки до кривой будет минимальной.
Нанесенные на координатную бумагу точки соединяют плавной кривой, причем кривая должна проходить возможно ближе ко всем экспериментальным точкам. Проводить кривую следует так, чтобы она лежала возможно ближе к точкам не превышаемые погрешности и чтобы по обе стороны кривой оказывалось приблизительно равное их количество (см. рис. 2).
Если при построении кривой одна или несколько точек выходят за пределы области допустимых значений (см. рис. 2, точки А и В ), то кривую проводят по остальным точкам, а выпавшие точки А и В как промахи не берут в учет. Затем проводят повторные измерения в этой области (точки А и В ) и устанавливается причина такого отклонения (либо это промах или законное нарушение найденной зависимости).
Если исследуемая, экспериментально построенная функция обнаруживает «особые» точки, (например, точки экстремума, перегиба, разрыва и т.д.). То увеличивается число экспериментов при малых значениях шага (аргумента) в области особых точек.
При изучении электротехники приходится иметь дело с электрическим, магнитными и механическими величинами и измерять эти величины.
Измерить электрическую, магнитную или какую-либо иную величину - это значит сравнить ее с другой однородной величиной, принятой за единицу.
В этой статье рассмотрена классификация измерений, наиболее важная для . К такой классификации можно отнести классификацию измерений с методологической точки зрения, т. е. в зависимости от общих приемов получения результатов измерений (виды или классы измерений), классификацию измерений в зависимости от использования принципов и средств измерений (методы измерений) и классификацию измерений в зависимости от динамики измеряемых величин.
Виды электрических измерений
В зависимости от общих приемов получения результата измерения делятся на следующие виды: прямые, косвенные и совместные.
К прямым измерениям относятся те, результат которых получается непосредственно из опытных данных. Прямое измерение условно можно выразить формулой Y = Х, где Y - искомое значение измеряемой величины; X -значение, непосредственно получаемое из опытных данных. К этому виду измерений относятся измерения различных физических величин при помощи приборов, градуированных в установленных единицах.
Например, измерения силы тока амперметром, температуры - термометром и т. д. К этому виду измерений относятся и измерения, при которых искомое значение величины определяется непосредственным сравнением ее с мерой. Применяемые средства и простота (или сложность) эксперимента при отнесении измерения к прямому не учитываются.
Косвенным
называется такое измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. При косвенных измерениях числовое значение
измеряемой величины определяется путем вычисления по формуле Y = F(Xl, Х2 ... Хn
), где Y
- искомое значение измеряемой величины; Х1
, Х2, Хn
- значения измеренных величин.
В качестве примера косвенных измерений можно указать на измерение мощности в цепях постоянного тока амперметром и вольтметром.
Совместными измерениями называются такие, при которых искомые значения разноименных величин определяются путем решения системы уравнений, связывающих значения искомых величин с непосредственно измеренными величинами. В качестве примера совместных измерений можно привести определение коэффициентов в формуле, связывающей сопротивление резистора с его температурой: Rt = R20
Методы электрических измерений
В зависимости от совокупности приемов использования принципов и средств измерений все методы делятся на метод непосредственной оценки и методы сравнения.
Сущность метода непосредственной оценки заключается в том, что о значении измеряемой величины судят по показанию одного (прямые измерения) или нескольких (косвенные измерения) приборов, заранее проградуированных в единицах измеряемой величины или в единицах других величин, от которых зависит измеряемая величина.
Простейшим примером метода непосредственной оценки может служить измерение какой-либо величины одним прибором, шкала которого проградуирована в соответствующих единицах.
Вторая большая группа методов электрических измерений объединена под общим названием методов сравнения . К ним относятся все те методы электрических измерений, при которых измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Таким образом, отличительной чертой методов сравнения является непосредственное участие мер в процессе измерения.
Методы сравнения делятся на следующие: нулевой, дифференциальный, замещения и совпадения.
Нулевой метод - это метод сравнения измеряемой величины с мерой, при котором результирующий эффект воздействия величин на индикатор доводится до нуля. Таким образом, при достижении равновесия наблюдается исчезновение определенного явления, например тока в участке цепи или напряжения на нем, что может быть зафиксировано при помощи служащих для этой цели приборов - нуль-индикаторов. Вследствие высокой чувствительности нуль-индикаторов, а также потому, что меры могут быть выполнены с большой точностью, получается и большая точность измерений.
Примером применения нулевого метода может быть измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием.
При дифференциальном методе , так же как и при нулевом, измеряемая величина сравнивается непосредственно или косвенно с мерой, а о значении измеряемой величины в результате сравнения судят по разности одновременно производимых этими величинами эффектов и по известной величине, воспроизводимой мерой. Таким образом, в дифференциальном методе происходит неполное уравновешивание измеряемой величины, и в этом заключается отличие дифференциального метода от нулевого.
Дифференциальный метод сочетает в себе часть признаков метода непосредственной оценки и часть признаков нулевого метода. Он может дать весьма точный результат измерения, если только измеряемая величина и мера мало отличаются друг от друга.
Например, если разность этих двух величин равна 1 % и измеряется с погрешностью до 1 %, то тем самым погрешность измерения искомой величины уменьшается до 0,01%, если не учитывать погрешности меры. Примером применения дифференциального метода может служить измерение вольтметром разности двух напряжений, из которых одно известно с большой точностью, а другое является искомой величиной.
Метод замещения заключается в поочередном измерении искомой величины прибором и измерении этим же прибором меры, воспроизводящей однородную с измеряемой величину. По результатам двух измерений может быть вычислена искомая величина. Вследствие того что оба измерения делаются одним и тем же прибором в одинаковых внешних условиях, а искомая величина определяется по отношению показаний прибора, в значительной мере уменьшается погрешность результата измерения. Так как погрешность прибора обычно неодинакова в различных точках шкалы, наибольшая точность измерения получается при одинаковых показаниях прибора.
Примером применения метода замещения может быть измерение сравнительно большого путем поочередного измерения силы тока, протекающего через контролируемый резистор и образцовый. Питание цепи при измерениях должно производиться от одного и того же источника тока. Сопротивление источника тока и прибора, измеряющего ток, должно быть очень мало по сравнению с изменяемым и образцовым сопротивлениями.
Метод совпадений - это такой метод, при котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Этот метод широко применяется в практике неэлектрических измерений.
Примером может служить измерение длины . В электрических измерениях в качестве примера можно привести измерение частоты вращения тела стробоскопом.
Укажем еще классификацию измерений по признаку изменения во времени измеряемой величины . В зависимости от того, изменяется ли измеряемая величина во времени или остается в процессе измерения неизменной, различаются статические и динамические измерения. Статическими называются измерения постоянных или установившихся значений. К ним относятся и измерения действующих и амплитудных значений величин, но в установившемся режиме.
Если измеряются мгновенные значения изменяющихся во времени величин, то измерения называются динамическими . Если при динамических измерениях средства измерений позволяют непрерывно следить за значениями измеряемой величины, такие измерения называются непрерывными.
Можно осуществить измерения какой-либо величины путем измерений ее значений в некоторые моменты времени t1 , t2 и т. д. В результате окажутся известными не все значения измеряемой величины, а лишь значения в выбранные моменты времени. Такие измерения называются дискретными .
Потребности науки и техники включают в себя проведение множества измерений, средства и методы которых постоянно развиваются и совершенствуются. Важнейшая роль в этой области принадлежит измерениям электрических величин, находящим широчайшее применение в самых различных отраслях.
Понятие об измерениях
Измерение любой физической величины производится путем сравнения ее с некоторой величиной того же рода явлений, принятой в качестве единицы измерения. Результат, полученный при сравнении, представляется в численном виде в соответствующих единицах.
Эта операция осуществляется с помощью специальных средств измерения - технических приспособлений, взаимодействующих с объектом, те или иные параметры которого требуется измерить. При этом используются определенные методы - приемы, посредством которых проводится сравнение измеряемой величины с единицей измерения.
Существует несколько признаков, служащих основой для классификации измерений электрических величин по видам:
- Количество актов измерения. Здесь существенна их однократность или многократность.
- Степень точности. Различают технические, контрольно-поверочные, максимально точные измерения, а также равноточные и неравноточные.
- Характер изменения измеряемой величины во времени. Согласно этому критерию измерения бывают статические и динамические. Путем динамических измерений получают мгновенные значения величин, меняющихся во времени, а статических - некоторые постоянные значения.
- Представление результата. Измерения электрических величин могут быть выражены в относительной или в абсолютной форме.
- Способ получения искомого результата. По данному признаку измерения делятся на прямые (в них результат получается непосредственно) и косвенные, при которых прямо измеряются величины, связанные с искомой величиной какой-либо функциональной зависимостью. В последнем случае искомая физическая величина вычисляется по полученным результатам. Так, измерение силы тока с помощью амперметра - это пример прямого измерения, а мощности - косвенного.
Средства измерения
Приспособления, предназначенные для измерения, должны обладать нормированными характеристиками, а также сохранять на протяжении определенного времени либо воспроизводить единицу той величины, для измерения которой они предназначены.
Средства измерения электрических величин подразделяются на несколько категорий в зависимости от назначения:
- Меры. Данные средства служат для воспроизведения величины некоторого заданного размера - как, например, резистор, воспроизводящий с известной погрешностью определенное сопротивление.
- формирующие сигнал в форме, удобной для хранения, преобразования, передачи. Для непосредственного восприятия информация такого рода недоступна.
- Электроизмерительные приборы. Эти средства предназначены для представления информации в доступной наблюдателю форме. Они могут быть переносными или стационарными, аналоговыми или цифровыми, регистрирующими или сигнализирующими.
- Электроизмерительные установки представляют собой комплексы вышеперечисленных средств и дополнительных устройств, сосредоточенные в одном месте. Установки позволяют проводить более сложные измерения (например, магнитных характеристик или удельного сопротивления), служат как поверочные или эталонные устройства.
- Электроизмерительные системы тоже являются совокупностью различных средств. Однако, в отличие от установок, приборы для измерения электрических величин и прочие средства в составе системы рассредоточены. С помощью систем можно измерять несколько величин, хранить, обрабатывать и передавать сигналы измерительной информации.
При необходимости решения какой-либо конкретной сложной измерительной задачи формируют измерительно-вычислительные комплексы, объединяющие ряд устройств и электронно-вычислительную аппаратуру.
Характеристики измерительных средств
Устройства измерительной аппаратуры обладают определенными свойствами, важными для выполнения их непосредственных функций. К ним относятся:
- такие как чувствительность и ее порог, диапазон измерения электрической величины, погрешность прибора, цена деления, быстродействие и др.
- Динамические характеристики, например амплитудные (зависимость амплитуды выходного сигнала прибора от амплитуды на входе) или фазовые (зависимость фазового сдвига от частоты сигнала).
- Эксплуатационные характеристики, отражающие меру соответствия прибора требованиям эксплуатации в определенных условиях. К ним относятся такие свойства, как достоверность показаний, надежность (работоспособность, долговечность и безотказность аппарата), ремонтопригодность, электрическая безопасность, экономичность.
Совокупность характеристик аппаратуры устанавливается соответствующими нормативно-техническими документами для каждого типа устройств.
Применяемые методы
Измерение электрических величин производится посредством различных методов, которые также можно классифицировать по следующим критериям:
- Род физических явлений, на основе которого измерение проводится (электрические или магнитные явления).
- Характер взаимодействия измерительного средства с объектом. В зависимости от него различают контактные и бесконтактные методы измерения электрических величин.
- Режим проведения измерения. В соответствии с ним измерения бывают динамическими и статическими.
- Разработаны как методы непосредственной оценки, когда искомая величина прямо определяется прибором (к примеру, амперметром), так и более точные методы (нулевые, дифференциальные, противопоставления, замещения), в которых она выявляется путем сравнения с известной величиной. В качестве приборов сравнения служат компенсаторы и электроизмерительные мосты постоянного и переменного тока.
Электроизмерительные приборы: виды и особенности
Измерение основных электрических величин требует большого разнообразия приборов. В зависимости от физического принципа, положенного в основу их работы, все они делятся на следующие группы:
- Электромеханические приборы обязательно имеют в конструкции подвижную часть. К этой большой группе измерительных средств относятся электродинамические, ферродинамические, магнитоэлектрические, электромагнитные, электростатические, индукционные приборы. Например, магнитоэлектрический принцип, применяющийся очень широко, может быть положен в основу таких устройств, как вольтметры, амперметры, омметры, гальванометры. На индукционном принципе основаны счетчики электроэнергии, частотомеры и т. д.
- Электронные приборы отличаются наличием дополнительных блоков: преобразователей физических величин, усилителей, преобразователей и пр. Как правило, в приборах этого типа измеряемая величина преобразуется в напряжение, и конструктивной основой их служит вольтметр. Электронные измерительные приборы применяются в качестве частотомеров, измерителей емкости, сопротивления, индуктивности, осциллографов.
- Термоэлектрические приборы сочетают в своей конструкции измерительное устройство магнитоэлектрического типа и термопреобразователь, образуемый термопарой и нагревателем, через который протекает измеряемый ток. Приборы этого типа используются в основном при измерениях высокочастотных токов.
- Электрохимические. Принцип их работы базируется на процессах, которые протекают на электродах либо в исследуемой среде в межэлектродном пространстве. Применяются приборы этого типа для измерения электропроводности, количества электричества и некоторых неэлектрических величин.
По функциональным особенностям различают следующие виды приборов для измерения электрических величин:
- Показывающие (сигнализирующие) - это устройства, позволяющие производить только непосредственное считывание измерительной информации, такие как ваттметры или амперметры.
- Регистрирующие - приборы, допускающие возможность регистрации показаний, например, электронные осциллографы.
По типу сигнала приборы делятся на аналоговые и цифровые. Если устройство вырабатывает сигнал, представляющий собой непрерывную функцию измеряемой величины, оно является аналоговым, например, вольтметр, показания которого выдаются при помощи шкалы со стрелкой. В том случае, если в устройстве автоматически вырабатывается сигнал в виде потока дискретных значений, поступающий на дисплей в численной форме, говорят о цифровом измерительном средстве.
Цифровые приборы имеют некоторые недостатки по сравнению с аналоговыми: меньшая надежность, потребность в источнике питания, более высокая стоимость. Однако их отличают и существенные преимущества, в целом делающие применение цифровых устройств более предпочтительным: удобство эксплуатации, высокая точность и помехоустойчивость, возможность универсализации, сочетания с ЭВМ и дистанционной передачи сигнала без потери точности.
Погрешности и точность приборов
Важнейшая характеристика электроизмерительного прибора - класс электрических величин, как и любых других, не может производиться без учета погрешностей технического устройства, а также дополнительных факторов (коэффициентов), влияющих на точность измерения. Предельные значения приведенных погрешностей, допускаемые для данного типа прибора, называются нормированными и выражаются в процентах. Они и определяют класс точности конкретного прибора.
Стандартные классы, которыми принято маркировать шкалы измерительных устройств, следующие: 4,0; 2,5; 1,5; 1,0; 0,5; 0,2; 0,1; 0,05. В соответствии с ними установлено разделение по назначению: приборы, принадлежащие к классам от 0,05 до 0,2, относятся к образцовым, классами 0,5 и 1,0 обладают лабораторные приборы, и, наконец, устройства классов 1,5-4,0 являются техническими.
При выборе измерительного прибора необходимо, чтобы он соответствовал по классу решаемой задаче, при этом верхний предел измерения должен быть как можно ближе к численному значению искомой величины. То есть чем большего отклонения стрелки прибора удается достичь, тем меньше будет относительная погрешность проводимого измерения. Если в распоряжении имеются только приборы низкого класса, выбирать следует такой, который обладает наименьшим рабочим диапазоном. Используя данные способы, измерения электрических величин можно провести достаточно точно. При этом также нужно учитывать тип шкалы прибора (равномерная или неравномерная, как, например, шкалы омметров).
Основные электрические величины и единицы их измерения
Чаще всего электрические измерения связаны со следующим набором величин:
- Сила тока (или просто ток) I. Данной величиной обозначается количество электрического заряда, проходящего через сечение проводника за 1 секунду. Измерение величины электрического тока проводится в амперах (A) при помощи амперметров, авометров (тестеров, так называемых «цешек»), цифровых мультиметров, измерительных трансформаторов.
- Количество электричества (заряд) q. Эта величина определяет, в какой мере то или иное физическое тело может являться источником электромагнитного поля. Электрический заряд измеряется в кулонах (Кл). 1 Кл (ампер-секунда) = 1 А ∙ 1 с. Приборами для измерения служат электрометры либо электронные зарядометры (кулон-метры).
- Напряжение U. Выражает разность потенциалов (энергии зарядов), существующую между двумя различными точками электрического поля. Для данной электрической величины единицей измерения служит вольт (В). Если для того, чтобы из одной точки переместить в другую заряд в 1 кулон, поле совершает работу в 1 джоуль (то есть затрачивается соответствующая энергия), то разность потенциалов - напряжение - между этими точками составляет 1 вольт: 1 В = 1 Дж/1 Кл. Измерение величины электрического напряжения производится посредством вольтметров, цифровых либо аналоговых (тестеры) мультиметров.
- Сопротивление R. Характеризует способность проводника препятствовать прохождению через него электрического тока. Единица сопротивления - ом. 1 Ом - это сопротивление проводника, имеющего напряжение на концах в 1 вольт, к току величиной в 1 ампер: 1 Ом = 1 В/1 А. Сопротивление прямо пропорционально сечению и длине проводника. Для измерения его используются омметры, авометры, мультиметры.
- Электропроводность (проводимость) G - величина, обратная сопротивлению. Измеряется в сименсах (См): 1 См = 1 Ом -1 .
- Емкость C - это мера способности проводника накапливать заряд, также одна из основных электрических величин. Единицей измерения ее служит фарад (Ф). Для конденсатора эта величина определяется как взаимная емкость обкладок и равна отношению накопленного заряда к разности потенциалов на обкладках. Емкость плоского конденсатора растет с увеличением площади обкладок и с уменьшением расстояния между ними. Если при заряде в 1 кулон на обкладках создается напряжение величиной 1 вольт, то емкость такого конденсатора будет равна 1 фараду: 1 Ф = 1 Кл/1 В. Измерение производят при помощи специальных приборов - измерителей емкости или цифровых мультиметров.
- Мощность P - величина, отражающая скорость, с которой осуществляется передача (преобразование) электрической энергии. В качестве системной единицы мощности принят ватт (Вт; 1 Вт = 1Дж/с). Эта величина также может быть выражена через произведение напряжения и силы тока: 1 Вт = 1 В ∙ 1 А. Для цепей переменного тока различают активную (потребляемую) мощность P a , реактивную P ra (не принимает участия в работе тока) и полную мощность P. При измерениях для них используют следующие единицы: ватт, вар (расшифровывается как «вольт-ампер реактивный») и, соответственно, вольт-ампер В∙А. Размерность их одинакова, и служат они для различения указанных величин. Приборы для измерения мощности - аналоговые или цифровые ваттметры. Косвенные измерения (например, с помощью амперметра) применимы далеко не всегда. Для определения такой важной величины, как коэффициент мощности (выражается через угол фазового сдвига) применяют приборы, называемые фазометрами.
- Частота f. Это характеристика переменного тока, показывающая количество циклов изменения его величины и направления (в общем случае) за период в 1 секунду. За единицу частоты принята обратная секунда, или герц (Гц): 1 Гц = 1 с -1 . Измеряют данную величину посредством обширного класса приборов, называемых частотомерами.
Магнитные величины
Магнетизм теснейшим образом связан с электричеством, поскольку и то, и другое представляют собой проявления единого фундаментального физического процесса - электромагнетизма. Поэтому столь же тесная связь свойственна методам и средствам измерения электрических и магнитных величин. Но есть и нюансы. Как правило, при определении последних практически проводится электрическое измерение. Магнитную величину получают косвенным путем из функционального соотношения, связывающего ее с электрической.
Эталонными величинами в данной области измерений служат магнитная индукция, напряженность поля и магнитный поток. Они могут быть преобразованы с помощью измерительной катушки прибора в ЭДС, которая и измеряется, после чего производится вычисление искомых величин.
- Магнитный поток измеряют посредством таких приборов, как веберметры (фотогальванические, магнитоэлектрические, аналоговые электронные и цифровые) и высокочувствительные баллистические гальванометры.
- Индукция и напряженность магнитного поля измеряются при помощи тесламетров, оснащенных преобразователями различного типа.
Измерение электрических и магнитных величин, состоящих в непосредственной взаимосвязи, позволяет решать многие научные и технические задачи, например, исследование атомного ядра и магнитного поля Солнца, Земли и планет, изучение магнитных свойств различных материалов, контроль качества и прочие.
Неэлектрические величины
Удобство электрических методов дает возможность успешно распространять их и на измерения всевозможных физических величин неэлектрического характера, таких как температура, размеры (линейные и угловые), деформация и многие другие, а также исследовать химические процессы и состав веществ.
Приборы для электрического измерения неэлектрических величин обычно представляют собой комплекс из датчика - преобразователя в какой-либо параметр цепи (напряжение, сопротивление) и электроизмерительного устройства. Существует множество типов преобразователей, благодаря которым можно измерять самые разные величины. Вот лишь несколько их примеров:
- Реостатные датчики. В таких преобразователях при воздействии измеряемой величины (например, при изменении уровня жидкости или же ее объема) перемещается движок реостата, изменяя тем самым сопротивление.
- Терморезисторы. Сопротивление датчика в аппаратах этого типа изменяется под воздействием температуры. Применяются для измерения скорости газового потока, температуры, для определения состава газовых смесей.
- Тензосопротивления позволяют проводить измерения деформации проволоки.
- Фотодатчики, преобразующие изменение освещенности, температуры либо перемещение в измеряемый затем фототок.
- Емкостные преобразователи, используемые как датчики химического состава воздуха, перемещения, влажности, давления.
- работают по принципу возникновения ЭДС в некоторых кристаллических материалах при механическом воздействии на них.
- Индукционные датчики основаны на преобразовании таких величин, как скорость или ускорение, в индуктированную ЭДС.
Развитие электроизмерительных средств и методов
Большое многообразие средств измерения электрических величин обусловлено множеством различных явлений, в которых эти параметры играют существенную роль. Электрические процессы и явления имеют чрезвычайно широкий диапазон использования во всех отраслях - нельзя указать такую область человеческой деятельности, где они не находили бы применения. Этим и определяется все более расширяющийся круг задач электрических измерений физических величин. Непрерывно растет разнообразие и совершенствование средств и методов решения этих задач. Особенно быстро и успешно развивается такое направление измерительной техники, как измерение неэлектрических величин электрическими методами.
Современная электроизмерительная техника развивается в направлении повышения точности, помехоустойчивости и быстродействия, а также все большей автоматизации измерительного процесса и обработки его результатов. Средства измерений прошли путь от простейших электромеханических приспособлений до электронных и цифровых приборов, и далее до новейших измерительно-вычислительных комплексов с использованием микропроцессорной техники. При этом повышение роли программной составляющей измерительных устройств является, очевидно, основной тенденцией развития.
В этой статье рассмотрена систематизация измерений, более принципиальная для теории и практики электронных измерений. К таковой систематизации можно отнести систематизацию измерений с методологической точки зрения, т. е. зависимо от общих приемов получения результатов измерений (виды либо классы измерений), систематизацию измерений зависимо от использования принципов и средств измерений (способы измерений) и систематизацию измерений зависимо от динамики измеряемых величин.
Виды электронных измерений
Зависимо от общих приемов получения результата измерения делятся на последующие виды: прямые, косвенные и совместные.
К прямым измерениям
относятся те, итог которых выходит конкретно из опытнейших данных. Прямое измерение условно можно выразить формулой
Y
= Х, где Y - разыскиваемое значение измеряемой величины; X -
значение, конкретно получаемое из опытнейших данных.
К этому виду измерений относятся измерения разных физических величин с помощью устройств, градуированных в установленных единицах. К примеру, измерения силы тока амперметром, температуры - указателем температуры и т. д. К этому виду измерений относятся и измерения, при которых разыскиваемое значение величины определяется конкретным сопоставлением ее с мерой.
Используемые средства и простота (либо сложность) опыта при отнесении измерения к прямому не учитываются.
Косвенным
именуется такое измерение, при котором разыскиваемое значение величины находят на основании известной зависимости меж данной величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. При косвенных измерениях числовое значение
измеряемой величины определяется методом вычисления по формуле Y = F
(Xl, Х2 … Хn
), где Y
- разыскиваемое значение измеряемой величины; Х1
, Х2, Хn
- значения измеренных величин.
В качестве примера косвенных измерений можно указать на измерение мощности в цепях неизменного тока амперметром и вольтметром.
Совместными измерениями
именуются такие, при которых
разыскиваемые значения разноименных величин определяются методом решения системы
уравнений, связывающих значения разыскиваемых величин с конкретно измеренными
величинами.
В качестве примера совместных измерений
можно привести определение коэффициентов в формуле, связывающей сопротивление
резистора с его температурой: Rt = R20
Способы электронных измерений
Зависимо от совокупы приемов использования принципов и средств измерений все способы делятся на способ конкретной оценки и способы сопоставления.
Суть способа конкретной оценки
состоит в том, что о значении измеряемой величины судят по показанию 1-го (прямые измерения) либо нескольких (косвенные измерения) устройств, заблаговременно проградуированных в единицах измеряемой величины либо в единицах других величин, от которых зависит измеряемая величина. Простым примером способа конкретной оценки может служить измерение какой-нибудь величины одним прибором, шкала которого проградуирована в соответственных единицах.
2-ая большая группа способов электронных измерений объединена под общим заглавием
способов сопоставления
. К ним относятся все те способы электронных измерений, при которых измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Таким макаром, отличительной чертой способов сопоставления является конкретное роль мер в процессе измерения.
Способы сопоставления делятся на последующие: нулевой, дифференциальный, замещения и совпадения.
Нулевой способ
- это способ сопоставления измеряемой величины с мерой, при котором результирующий эффект воздействия величин на индикатор доводится до нуля. Таким макаром, при достижении равновесия наблюдается исчезновение определенного явления, к примеру тока в участке цепи либо напряжения на нем, что может быть зафиксировано с помощью служащих для этой цели устройств
- нуль-индикаторов. Вследствие высочайшей чувствительности нуль-индикаторов, также поэтому, что меры могут быть выполнены с большой точностью, выходит и большая точность измерений. Примером внедрения нулевого способа может быть измерение электронного сопротивления мостом с полным его уравновешиванием.
При дифференциальном способе
, так же как и при нулевом, измеряемая величина сравнивается конкретно либо косвенно с мерой, а о значении измеряемой величины в итоге сопоставления судят по разности сразу производимых этими величинами эффектов и по известной величине, воспроизводимой мерой. Таким макаром, в дифференциальном способе происходит неполное уравновешивание измеряемой величины, и в этом заключается отличие дифференциального способа от нулевого.
Дифференциальный способ соединяет внутри себя часть признаков способа конкретной оценки и часть признаков нулевого способа. Он может дать очень четкий итог измерения, если только измеряемая величина и мера не достаточно отличаются друг от друга. К примеру, если разность этих 2-ух величин равна 1 % и измеряется с погрешностью до 1 %, то тем погрешность измерения разыскиваемой величины миниатюризируется до 0,01%, если не учесть погрешности меры. Примером внедрения дифференциального способа может служить измерение вольтметром разности 2-ух напряжений, из которых одно понятно с большой точностью, а другое является разыскиваемой величиной.
Способ замещения заключается в последовательном измерении разыскиваемой величины прибором и измерении тем же прибором меры, воспроизводящей однородную с измеряемой величину. По результатам 2-ух измерений может быть вычислена разыскиваемая величина. Вследствие того что оба измерения делаются одним и этим же прибором в схожих наружных критериях, а разыскиваемая величина определяется по отношению показаний прибора, в значимой мере миниатюризируется погрешность результата измерения. Потому что погрешность прибора обычно неодинакова в разных точках шкалы, большая точность измерения выходит при схожих показаниях прибора.
Примером внедрения способа замещения может быть измерение сравнимо огромного электронного сопротивления на неизменном токе методом последовательного измерения силы тока, протекающего через контролируемый резистор и примерный. Питание цепи при измерениях должно выполняться от 1-го и такого же источника тока. Сопротивление источника тока и прибора, измеряющего ток, должно быть сильно мало по сопоставлению с изменяемым и примерным сопротивлениями.
Способ совпадений
- это таковой способ, при котором разность меж измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, определяют, используя совпадение отметок шкал либо повторяющихся сигналов. Этот способ обширно применяется в практике неэлектрических измерений. Примером может служить измерение длины штангенциркулем с нониусом. В электронных измерениях в качестве примера можно привести измерение частоты вращения тела стробоскопом.
Укажем еще систематизацию измерений по признаку конфигурации во времени измеряемой величины
.
Зависимо от того, меняется ли измеряемая величина во времени либо остается в процессе измерения постоянной, различаются статические и динамические измерения.
Статическими
именуются измерения неизменных либо установившихся значений. К ним относятся и измерения действующих и амплитудных значений величин, но в установившемся режиме.
Если измеряются секундные значения изменяющихся во времени величин, то измерения именуются
динамическими
. Если при динамических измерениях средства измерений позволяют безпрерывно смотреть за значениями измеряемой величины, такие измерения именуются непрерывными. Можно выполнить измерения какой-нибудь величины методом измерений ее значений в некие моменты времени t1
, t2 и т. д. В итоге окажутся известными не все значения измеряемой величины, а только значения в избранные моменты времени. Такие измерения именуются дискретными
.
Школа для электрика