Оглавление:
Электрические измерения и электроизмерительные приборы
Основные понятия
Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства, способах достижения требуемой точности. Базовыми понятиями метрологии и измерительной техники являются измерение, единство измерений и точность измерений.
Измерение — совокупность действий, выполняемых при помощи средств измерений с цслыо нахождения числового значения измеряемой физической величины в принятых единицах измерения.
Физическая величина — характеристика одного из свойств физического объекта (явления или процесса), общая в качественном отношений для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальная для каждого объекта (т. с. значение физической величины может быть для одного объекта в определенное число раз больше или меньше, чем для другого). Например»: длина, время, сила электрического тока.
Физические величины можно подразделить на электрические (ток, напряжение) и неэлектрические (тепловые, химические).
Единица физической величины — физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение равное 1, и применяемое для количественного выражения однородных физических величин. Например: 1 м — единица длины, 1 с — времени, 1А — силы электрического тока.
Измерение физической величины — совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, заключающихся в сравнении (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей с целью получения этой величины в форме, наиболее удобной для использования.
Принцип измерений — физическое явление или эффект, положенное в основу измерений тем или иным типом средств измерений.
Примеры:
- применение эффекта Доплера для измерения скорости;
- применение эффекта Холла для измерения индукции магнитного поля;
- использование силы тяжести при измерении массы взвешиванием.
- Электрические измерения — это:
- измерения электрических величин;
- измерения временных величин, связанных с измерением электрических величин;
- измерение неэлсктрических величин.
Значение физической величины — это ее количественная оценка в виде конкретного числа принятых для этой величины единиц.
Средства измерения — технические средства, предназначенные для проведения прямых измерений с нормированной точностью. К ним относятся меры, электроизмерительные приборы и преобразователи, а также состоящие из них измерительные установки и системы.
Мера — средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного значения.
Измерительный преобразователь — средство измерений с нормированными метрологическими характеристиками, преобразующее измеряемую физическую величину в сигнал не доступный для восприятия человеком и предназначенный для последующей передачи, обработки или регистрации. Это преобразование должно выполняться с сохранением с заданной точности в выходной величине информации о количественном значении измеряемой величины. Часто используют термин первичный измерительный преобразователь или датчик.
Электрический датчик — это один или несколько измерительных преобразователей, объединенных в единую конструкцию и служащих для преобразования измеряемой неэлектрической величины в электрическую. Например: датчик давления, датчик температуры, датчик скорости и т. д.
Различают первичные и вторичные измерительные преобразователи.
Первичные измерительные преобразователи (датчики) преобразуют не-элсктрические физические сигналы в пропорциональные электрические сигналы, как правило, аналоговые.
Вторичные измерительные преобразователи — аналого-цифровые преобразователи преобразуют аналоговые измерительные сигналы в цифровой код.
Электроизмерительные приборы — средства измерений, позволяющие регистрировать измерительную информацию в форме, доступной для ее восприятия человеком.
Все электроизмерительные приборы делятся на аналоговые и цифровые.
Аналоговые приборы — это приборы, показания или выходной сигнал которых является непрерывной функцией изменения измеряемой величины. Идеализированное уравнение преобразования аналоговых приборов имеет вид 
где 
— измеряемая величина, a 
и 
— показание и коэффициент преобразования прибора соответственно. Аналоговые приборы обычно показывают значение измеряемой величины посредством стрелки, перемещающейся но шкале с делениями.
Цифровые приборы — это приборы, принцип действия которых основан на преобразовании аналоговой измеряемой величины в цифровую форму.
Измерительная установка — предназначенная для измерения одной или нескольких физических величин совокупность функционально объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, расположенных в одном месте.
Измерительная информационная система — комплекс функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств для получения измерительной информации, ее преобразования и обработки с целью ее представления потребителю в требуемом виде либо автоматического осуществления функций измерения, контроля и диагностирования состояния контролируемого объекта.
Информация, характеризующая объект измерения, воспринимается измерительной информационной системой и обрабатывается но определенному алгоритму. В результате на выходе системы формируется количественная информация, отражающая состояние данного объекта.
Разновидностью измерительных информационных систем являются измерительные вычислительные комплексы. Входящий в их состав цифровой процессор используется не только для сбора и обработки измерительной информации, но и для управления, как процессом измерения, гак и объектом исследования.
Единство измерений — состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью. Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставить результаты измерений, выполненных в разных местах и в разнос время, с использованием разных методов и средств измерений.
Точность измерений — качество измерений, отражающее степень близости результатов измерений к истинному значению измеряемой величины. Характеристикой точности измерений является погрешность — отклонение результата измерений от истинного значения измеряемой величины. Чем меньше результат измерения отклоняется от истинного значения величины, т. е. чем меньше его погрешность, тем выше точность измерений.
Виды и методы измерений
Для получения результатов измерения (значений измеряемой физической величины) в практике электрических измерений применяют различные виды и методы измерений.
Виды измерений
По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения разделяются на:
статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени;
динамические, в процессе которых измеряемая величина изменяется и является непостоянной во времени.
Статическими измерениями являются, например, измерения размеров тела, постоянного давления, электрических величин в цепях с установившемся режимом, динамическими — измерения пульсирующих давлений, вибраций, электрических величин в условиях протекания переходного процесса.
По способу получения результатов измерений измерения делятся на прямые, косвенные, совокупные и совместные.
Прямое измерение — искомое значение измеряемой физической величины находится непосредственно из опытных данных. Прямые измерения можно выразить формулой 
, где 
— искомое значение измеряемой величины, а 
— значение, непосредственно получаемое из опытных данных.
При прямых измерениях экспериментальным операциям подвергают измеряемую величину, которую сравнивают с мерой непосредственно или же с помощью измерительных приборов, градуированных в требуемых единицах. Примерами прямых служат измерения длины тела линейкой, массы при помощи весов и др.
Косвенное измерение — искомое значение измеряемой физической величины находится путем соответствующих расчетов с использованием известной функциональной зависимости между измеряемой физической величиной и физическими величинами, значения которых получаются с помощью прямых измерений.
Примеры косвенных измерений: определение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров, нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения.
Косвенные измерения широко распространены в тех случаях, когда искомую величину невозможно или слишком сложно измерить непосредственно или когда прямое измерение дает менее точный результат.
Совокупное измерение — измерение, при котором значение измеряемой величины определяют по результатам повторных измерений одной или нескольких одноименных величин при различных сочетаниях мер или этих величин. Значение искомой величины определяют решением системы уравнений, составляемых по результатам нескольких прямых измерений.
Совместное измерение — одновременное измерение двух или нескольких разноименных величин для нахождения функциональной зависимости между ними.
По способу выражения результатов измерений различают абсолютные и относительные измерения.
Абсолютные измерения — измерения, основанные на прямых измерениях одной или нескольких физических величин.
Относительные измерения — измерения отношения измеряемой величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.
Методы измерений
Метод измерения — это способ экспериментального определения значения физической величины, т. е. совокупность используемых при измерениях физических явлений и средств измерений.
В зависимости от способа определения значений искомых величин различают метод непосредственной оценки и метод сравнения.
Метод непосредственной оценки — метод измерения, при котором значение величины определяют непосредственно по показаниям одного (прямые измерения) или нескольких (косвенные измерения) приборов. Этот метод является наиболее распространенным, но его точность зависит от точности измерительного прибора.
Метод сравнения с мерой — метод измерения, при котором измеряемую величину сравнивают по какому-либо критерию с однородной величиной, воспроизводимой мерой. Точность измерения может быть выше, чем точность непосредственной оценки.
Метрологические характеристики электроизмерительных приборов
Технические характеристики, описывающие свойства измерительных приборов (преобразователей) и оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений, называются метрологическими характеристиками. Они позволяют оценить измерительные возможности конкретного прибора. Основные метрологические характеристики: диапазон измерений, чувствительность, цена деления и точность.
Диапазон измерений — область значений измеряемой величины, в пределах которых нормированы допустимые пределы погрешности измерения. Значения измеряемой величины, ограничивающие диапазон измерений, называют нижним или верхним пределом измерений.
Градуировочная характеристика измерительного прибора (преобразователя) — зависимость значений выходной величины от значений входной величины, представленная в виде формулы, таблицы или графика.
Чувствительность средства измерений — отношение приращения выходного сигнала 
средства измерений к вызвавшему это приращение изменению его входного сигнала 
. Чем больше чувствительность, тем меньше будет отмечено изменений измеряемой величины и тем больше обеспечение возможности для измерений с высокой точностью. Чувствительность бывает абсолютной и относительной.
Абсолютная чувствительность — отношение изменения выходного сигнала к абсолютному изменению измеряемой величины
Относительная чувствительность — отношение изменения выходного сигнала к относительному изменению измеряемой величины
Для измерительных приборов с нелинейной градуировочной характеристикой часто вместо чувствительности указывают цену деления шкалы — величину, обратную чувствительности. Цена деления представляет собой разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. В приборах с линейной градуировочной характеристикой цена деления постоянна в диапазоне измерений и носит название — постоянная прибора. Для получения значения величины в соответствующих единицах надо умножить отсчет в делениях на постоянную прибора.
Порог чувствительности средства измерений (пороговая чувствительность) — наименьшее значение изменения физической величины, начиная с которого может осуществляться её измерение данным средством. Он равен изменению измеряемой величины, которое вызывает минимальное перемещение указателя прибора при нормальном способе отсчета.
Порог чувствительности равен абсолютной погрешности средства измерений,
Точность измерений — качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Высокая точность измерений соответствует малым погрешностям всех видов, как систематических, так и случайных.
Погрешностью измерения называют отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.
Погрешности измерений и электроизмерительных приборов могут быть классифицированы по различным признакам.
По источнику возникновения погрешности измерений делят на инструментальные, методические и субъективные.
Инструментальная (приборная) погрешность измерений — составляющая суммарной погрешности любого измерения, обусловленная не идеальностью применяемого измерительного прибора (неточной градуировкой прибора, шумами в измерительной цепи прибора и др.).
Инструментальная погрешность измерений разделяется на основную (составляющую погрешности измерений при применении прибора в нормальных условиях) и дополнительную составляющую погрешности измерений, возникающую вследствие отклонения применения прибора от нормальных условий.
Методическая погрешность измерений — составляющая суммарной погрешности любого измерения, обусловленная несовершенством метода измерений. Методическая погрешность не зависит от самого измерительного прибора и часто может быть оценена и даже скомпенсирована.
Субъективная (личная) погрешность измерений — составляющая суммарной погрешности измерения, обусловленная индивидуальными особенностями оператора. Эта погрешность не зависит ни от прибора, ни от метода измерения. В основном она определяется квалификацией оператора.
По способу выражения погрешности измерений разделяют на абсолютные, относительные и приведенные.
Абсолютная погрешность прибора в данной точке диапазона измерения равна 
, где — показание прибора, 
— истинное значение измеряемой величины.
Однако истинное значение измеряемой величины найти в принципе невозможно. Поэтому на практике вместо него применяют действительное значение 
, в качестве которого используют показания образцового прибора, т.е. 
. Абсолютная погрешность прибора не характеризует в полной мере точность измерения. Ее нельзя использовать для сравнительной оценки точности разных измерительных технологий. Этого недостатка лишено понятие «относительная погрешность».
Относительная погрешность — отношение абсолютной погрешности к истинному (действительному) значению измеряемой величины:
или в процентах
Приведенная погрешность — отношение абсолютной погрешности к номинальной величине прибора (нормирующему значению) 
которая принимается равной верхнему пределу измерений:
или в процентах
По характеру проявления (свойствам погрешностей) погрешности измерений делят на систематические и случайные.
Систематическая погрешность — это погрешность, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины. Как правило, систематические погрешности стараются исключить с помощью поправок, представляющих собой значение величины, вводимое в не исправленный результат измерения с целью исключения систематической погрешности. Знак поправки противоположен знаку величины систематической погрешности.
Случайная погрешность — это погрешность, непредсказуемым образом изменяющая свое численное значение при повторных измерениях одной и той же величины.
Влияние случайных погрешностей может быть уменьшено при многократном повторении измерений.
Поскольку действительное значение измеряемой величины при измерении неизвестно, то для определения абсолютной и относительной погрешностей можно воспользоваться классом точности прибора.
Классом точности называется обобщенная характеристика всех средств измерений данного типа, обеспечивающая правильность их показаний и устанавливающая оценку точности показаний.
Обозначения классов точности наносятся на циферблаты корпуса средств измерений. Они могут быть в виде заглавных букв латинского алфавита, римских цифр.
Амперметры, вольтметры и ваттметры подразделяются на восемь классов точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Цифра, обозначающая класс точности, определяет наибольшую положительную или отрицательную основную приведенную погрешность, которую имеет данный прибор.
Например, прибор класса точности 0,5 имеет основную приведенную погрешность 
. Эта погрешность называется основной, так как она гарантирована в нормальных условиях, под которыми понимают температуру окружающей среды 20°С, отсутствие внешних магнитных нолей, соответствующее положение прибора и т. д. При других условиях возникают дополнительные почетности.
Пример помощи с задачей 5-1. Номинальный ток амперметра 
, класс точности 1,5. С помощью амперметра измерен ток 
.
Определить абсолютную и относительную величину погрешности измерения, а также действительное значение тока.
Решение. Основная приведенная почетность 
. Отсюда абсолютная погрешность измерения 
.
Действительное значение тока может лежать в пределах 
. Относительная погрешность измерения 
.
Обозначение класса точности арабской цифрой, заключенной в окружность, означает, что истинное значение измеряемой величины не отличается от показаний средства измерений, более чем на соответствующее число процентов от того значения, которое показывает указатель.
Классификация электроизмерительных приборов
Электроизмерительные приборы могут быть классифицированы по различным признакам.
По роду измеряемой величины различают приборы для измерения:
- напряжения — вольтметры;
- тока — амперметры;
- мощности — ваттметры;
- электрической энергии — счетчики;
- сдвига фаз — фазометры;
- частоты тока — частотомеры;
- электрического сопротивления — омметры.
По роду тока приборы различают приборы постоянного тока, приборы переменного однофазного тока и приборы переменного трехфазного тока.
По степени точности приборы делятся на восемь классов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5 и 4. Цифры указывают значение допустимой приведенной по-фешности в процентах.
По нринцииу действии приборы подразделяются на магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические (ферромагнитные), индукционные и другие.
По виду получаемой измерительной информации приборы подразделяются на показывающие, регистрирующие, самопишущие, печатающие, интегрирующие, суммирующие.
По способу получения отсчета приборы могут быть с непосредственным отсчётом и самозаписывающие.
По характеру применения приборы делятся па стационарные, переносные и для подвижных установок.
Эта теория взята со страницы помощи с заданиями по электротехнике:
Возможно эти страницы вам будут полезны:
