Основные понятия и определения информационно-измерительной техники, страница 2

Средства электрических измерений

(ГОСТ 22. 261-82 «Средства измерения электрических величин»)

Для проведения измерений используются специальные технические средства.

Средство измерения: технические средства с нормированными метрологическими свойствами.

Используются следующие виды СИ (рисунок 1.2):

Эталон: СИ для воспроизведения, хранения, передачи размера единицы измерения нижестоящим СИ.

Иные работы запрещены с целью снижения износа, старения и, следовательно, погрешностей. Различают первичные, вторичные и рабочие эталоны. Первичные, около 130 шт., служат для воспроизведения единицы с наивысшей в стране (мире) точностью, достижимой в данной области измерений (погрешность    10-7¸10-13%). Содержатся в гос. хранилищах. Например, эталон единицы массы – гиря платиново-иридиевого сплава (1 кг) и эталонные весы, предназначенные для передачи размера единицы вторичным эталонам (г. Севр, Франция). Эталон единицы силы постоянного электрического тока (ампера) – токовые весы. С одной стороны на коромысло весов действует сила взаимодействия двух соленоидов, обтекаемых постоянным током, а с другой стороны – гиря известной массы. Эталон единицы сопротивления – 10 манганиновых катушек сопротивления (1ом). Вторичные эталоны это копии, предназначены для передачи размера единицы рабочим эталонам, которые служат для поверки образцовых и наиболее точных рабочих СИ.

Мера: СИ для воспроизведения ФВ заданного размера.

Изготавливают однозначные меры (гири, конденсаторы постоянной емкости и т.д.) и многозначные (магазины сопротивлений, конденсаторов, ЭДС). Используются как образцовые и рабочие средства.

Образцовое средство измерения: мера, измерительный прибор для поверки по ним других СИ.

Рабочее средство измерения: для проведения измерений не связанных с передачей размера единицы измерений (РСИ). Составляют наибольшее количество СИ.

Измерительный прибор: для выработки измерительной информации в форме доступной наблюдателю (это РСИ).

Виды измерений

В зависимости от требуемой точности и технических возможностей на практике используют различные виды измерений.

Прямое измерение: результат измерения получают непосредственно из опытных данных.

Например, сила электрического тока измеряется амперметром. Характеризуется простотой и, как правило, низкой точностью измерений.

Косвенное измерение: результат вычисляют после прямых измерений величин, связанных с измеряемой величиной известной зависимостью X = f (A1, A2, …).

Например, сопротивление резистора R находят из уравнения R=U/I на основании измерений падения напряжения UR на резисторе и тока IR через него (рис.1.3). Косвенные измерения  часто точнее прямых, иногда единственно возможны для данной ФВ.

Совместные измерения: одновременные измерения не одноименных величин для нахождения зависимости между ними.

При этом решают систему уравнений. Например, определение зависимости сопротивления терморезистора от температуры путем нахождения температурных коэффициентов A, B:

R0 = R0(1 + AT0+ BT0 2),       (находим соотношение А и В)

R1 = R0(1 + AT1+ BT1 2),       (находим А)

R2 = R0(1 + AT2+ BT2 2),       (находим В)

где R0 – значение Rпри T0= 20° C.

Определив R0, R1, R2 при трех различных температурах T0, T1, T2, измеренных термометром, составляют систему уравнений, из которых находят параметры R, A и Bзависимости. Метод применяется там, где определить зависимость с помощью известных законов физики невозможно, так как на неё влияют множество факторов. Так на величину R воздействуют малейшие отклонения  составов сплавов металлов и технология их обработки.

Совокупные измерения: неоднократные измерения одноименных величин. Искомые значения величин находят решением системы уравнений, составленных из результатов прямых измерений различных сочетаний этих величин.

Например, определение взаимоиндуктивности между катушкамиL1, L2 путём двукратного измерения их общей индуктивности. Сначала катушки соединяют так, чтобы их магнитные поля складывались. Тогда общая индуктивность

L01 = L1 + L2 + 2M12,

гдеM12 – взаимоиндуктивность. Затем катушки соединяют так, чтобы их магнитные поля вычитались и измеряют общую индуктивность      

L02 = L1 + L2 - 2M12.

Значение M12 определяется с помощью решения уравнения: M12 = (L01 - L02)/4.

Этот вид измерений используется в силу технических условий (нельзя разобрать схему или применить другой вид измерений).

Методы прямых измерений

Метод непосредственной оценки: значение измеряемой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора.

Данный метод дает значение измеряемой величины непосредственно, без каких - либо дополнительных действий со стороны лица, проводящего измерение. Этому методу свойственна быстрота процесса измерения, что делает его часто незаменимым для практического использования, хотя точность измерения обычно бывает ограниченной.

Методы сравнения с мерой: одновременное или разновременное сравнение двух однородных независимых друг от друга величин – измеряемой и известной.

В зависимости от требований и технических возможностей используют:

метод дополнения: измеряемую величину дополняют мерой и получают заданное суммарное значение;

дифференциальный метод: на измерительный прибор воздействует разность из меряемой величины и меры (рис. 1.4).

Чем меньше данная разность, тем меньше погрешность, вносимая прибором. Это объясняется тем, что точность меры обычно намного выше точности измерительного прибора. Например, необходимо измерить напряжение 100 В измерительным прибором, у которого        δ =1%, погрешностью меры пренебрегаем. При использовании метода непосредственной оценки,  согласно (1.4)  D1=1 В. Пусть мера формирует напряжение U0=90 В (дифференциальный метод). Тогда на измерительный прибор подается напряжение DUX =10 В, следовательно, D2 = 0,1 В и погрешность измерения уменьшилась в 10 раз. Этот метод применяется, например, в неуравновешенном измерительном мосте;

нулевой метод: разность измеряемой величины и меры доводится до нуля регулированием значения меры. Показания снимаются по шкале меры.

Это частный случай дифференциального метода. Он более точен, чем предыдущий, так как важна не точность, а чувствительность измерительного прибора, который служит индикатором равенства меры и измеряемой ФВ. Метод используется, например, в уравновешенном измерительном мосте. Можно применять меры, во много раз меньшие измеряемой величины (неравноплечие весы). По сравнению с дифференциальным методом, недостаток нулевого заключается в необходимости иметь меры, воспроизводящее любое значение известной величины без существенного понижения точности;