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 U_R на резисторе и тока I_R 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 DU_X =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;