Измерительным прибором

Лекция 2
ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Учебные вопросы:
1. КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ
2. ПОНЯТИЕ О СТРУКТУРЕ МЕР-ЭТАЛОНОВ
ВВЕДЕНИЕ
Развитие науки неразрывно связано с прогрессом в области измерений.
Измерения - один из способов познания. Поэтому многие научные
исследования сопровождаются измерениями, позволяющими установить
количественные соотношения и закономерности изучаемых явлений. Д. И.
Менделеев писал: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять;
точная наука немыслима без меры». История науки знает примеры,
говорящие о том, что прогресс в области измерений способствовал новым
открытиям. В свою очередь, достижения науки способствовали
совершенствованию методов и средств измерений.
В связи с изучением явлений электричества, и вследствие этого
появления науки электротехники, связанной с использованием явлений
электричества для практических нужд (для связи, энергетики, управления
ГСХ и т. п.), стали создаваться электроизмерительные приборы.
Несмотря на то, что в XIX в. уже широко использовали различные
средства измерений, не было единой общепринятой системы единиц величин
и
поэтому
результаты
измерений,
выполненные
разными
экспериментаторами с помощью различных средств, были трудно
сопоставимы. Это тормозило развитие науки и техники. Фундаментально эта
проблема была решена, Первым конгрессом по электричеству в 1881 г.,
принявшим первую систему единиц. Для воспроизведения, хранения и
передачи размера единиц различных величин с помощью специальных мерэталонов в некоторых странах были созданы специальные метрологические
учреждения.
Имеется тесная связь между достижениями в сфере городского
хозяйства и возможностями измерительной техники. Любое современное
производство
немыслимо
без
точного,
объективного
контроля
технологического процесса, осуществляемого с помощью средств измерений.
Улучшение качества обслуживания и повышение производительности
работы управляющих компаний в значительной степени обусловлены тем,
насколько хорошо оснащено и организовано измерительное хозяйство
предприятия. Автоматизация производства также невозможна без измерений,
так как нельзя управлять объектом, не имея информации об объекте. Так же
немаловажное место с огромном списке проблем нашего времени, является
тема эффективного пользования ресурсами, где нам опять незаменимыми
помощника будут электроизмерительные приборы-счетчики, которые
повсеместно и с большим успехом используют как у нас в России ,так и по
всему миру. Они позволяют вести подсчет количества добываемой,
потребляемой и потерянной электроэнергии на всех объектах капитального
строительства, промышленности и т.д., что позволяем соблюдать условия
концепции энерго-ресурсосбережения начиная с каждого человека и
заканчивая масштабами целого государства и мира в целом.
Таким образом, данная лекция имеет своей целью изучение физических
основ электрических измерений, в том числе - ознакомление с
классификацией электроизмерительной аппаратуры, рассмотрение структуры
мер-эталонов, а также определения задач, которые должны стоять в области
информационных технологий, и каким образом можно повысить
эффективность использования электрической энергии в целом.
1. КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ
Измерения производят с помощью средств измерений - технических
средств, имеющих нормированные метрологические характеристики.
По функциональному назначению средства измерений делят на
следующие группы: меры, измерительные преобразователи, измерительные
приборы, измерительные информационные системы и измерительные
установки.
Под мерой понимают средство измерений, предназначенное для
воспроизведения физической величины заданного размера. Например, мерой
является резистор, воспроизводящий сопротивление определенного размера с
известной погрешностью.
Измерительный
преобразователь
средство
измерений,
предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в
форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и
(или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию
наблюдателем. Измерительный преобразователь, к которому подводится
измеряемая
величина,
называют
первичным
измерительным
преобразователем. Измерительный преобразователь, предназначенный для
изменения размера величины в заданное число раз, называют масштабным
измерительным преобразователем.
В зависимости от рода измеряемой величины на входе измерительные
преобразователи для электрических измерений делят на преобразователи
электрических величин и преобразователи неэлектрических величин.
Примерами преобразователей электрических величин в электрические
являются делители напряжения, усилители напряжения и др.
Измерительные преобразователи в зависимости от вида (аналоговый,
кодированный) входного и выходного сигналов относят к одной из
следующих групп: а) аналоговые измерительные преобразователи, у которых
на входе и на выходе аналоговые сигналы; б) аналого-цифровые
измерительные преобразователи, имеющие на входе аналоговый сигнал, а на
выходе кодированный сигнал; в) цифро-аналоговые измерительные
преобразователи, у которых на входе кодированный сигнал, а на выходе
аналоговый (квантованный) сигнал.
Измерительным
прибором
называют
средство
измерений,
предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в
форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем,
например, в виде цифрового отсчета на отсчетном устройстве.
Измерительный прибор, показания которого являются непрерывной
функцией изменений измеряемой величины, называют аналоговым
измерительным прибором. Например, электроизмерительный прибор с
отсчетным устройством в виде стрелки и шкалы -- аналоговый прибор.
Измерительный прибор, автоматически вырабатывающий дискретный
(кодированный) сигнал измерительной информации и дающий показания в
цифровой форме, называют цифровым измерительным прибором.
В зависимости от того, допускают ли измерительные приборы только
считывание показаний или допускают считывание и регистрацию или только
регистрацию показаний, они относятся либо к показывающим, либо к
регистрирующим измерительным приборам. Иногда находят применение так
называемые регулирующие измерительные приборы, т. е. приборы, имеющие
приспособление для управления технологическим процессом.
Измерительные приборы, которые осуществляют одно или несколько
преобразований сигнала измерительной информации в одном направлении в
цепи преобразований, называют приборами прямого преобразования.
Измерительные приборы, в которых наряду с цепью прямого преобразования
имеется цепь обратного преобразования сигнала измерительной информации,
называют приборами уравновешивающего преобразования или приборами
сравнения, так как в них происходит сравнение измеряемой величины с
известной величиной, однородной с измеряемой. В некоторых случаях
производится сравнение эффектов, производимых указанными величинами.
В
зависимости
от
применяемых
средств
(узлов)
среди
электроизмерительных аналоговых приборов прямого преобразования
выделяют
следующие
группы
приборов:
электромеханические,
электромеханические с преобразователями и электронные.
К
группе
электромеханических
приборов
относят
электроизмерительные приборы, в которых энергия электромагнитного поля
преобразуется в механическую энергию перемещения подвижной части
прибора.
К группе электромеханических приборов с преобразователями относят
электромеханические приборы с предварительными преобразователями
входного сигнала с целью расширения возможностей измерения различных
величин.
К группе электронных аналоговых приборов относят приборы,
использующие электронные узлы для преобразования сигнала измерительной
информации и электромеханический (чаще всего магнитоэлектрический)
измерительный механизм.
По роду измеряемой величины электроизмерительные приборы делят
на следующие группы: амперметры - для измерения тока; вольтметры - для
измерения напряжения; омметры - для измерения сопротивления и т. п.
В зависимости от степени усреднения измеряемой величины выделяют
приборы, дающие показания мгновенных значений измеряемой величины, и
приборы интегрирующие, показания которых определяются интегралом по
времени или по другой независимой переменной от измеряемой величины.
По характеру установки на месте применения приборы бывают
стационарными, предназначенными для жесткого крепления, и переносные,
не предназначенные для жесткого крепления.
В зависимости от степени защищенности от климатических и
механических воздействий приборы выполняют обыкновенными, пыле-,
водо-, брызгозащищенными, герметическими, вибро-, удароустойчивыми и
др.
Для испытаний крупных объектов, т. е. когда необходимо измерять
большое число физических величин, производить обработку измерительной
информации, воздействовать на объект в процессе испытаний и т. д.,
применяют измерительные информационные системы.
Измерительная
информационная
система
совокупность
функционально объединенных измерительных, вычислительных и других
вспомогательных технических средств для получения измерительной
информации, ее преобразования, обработки с целью представления
потребителю (в том числе ввода в АСУ) в требуемом виде либо
автоматического
осуществления
логических
функций
контроля,
диагностирования, идентификации (распознавания образцов).
В
последние
годы
получили
применение
измерительновычислительные комплексы (ИВК), которые представляют собой
автоматизированные средства измерений и обработки измерительной
информации. Их отличительной чертой является наличие в комплексе
свободно программируемой ЭВМ, которая используется не только для
обработки результатов измерения, но и для управления самим процессом
измерения, а также для управления воздействием (если это необходимо) на
объект исследования. ИВК - разновидность ИИС.
В настоящее время имеется тенденция выпускать средства измерений,
которые могут использоваться не только автономно, но и в составе систем.
Такие средства называют средствами измерений системного применения. В
этих средствах широко используются средства вычислительной техники.
ИВК и другие средства измерений, содержащие средства вычислительной
техники, образуют группу измерительно-вычислительных (процессорных)
средств.
Для выполнения массовых технологических измерений применяются
измерительные
установки.
Измерительной
установкой
называют
совокупность функционально и конструктивно объединенных средств
измерений и вспомогательных устройств, предназначенных для
рациональной организации измерений. Электроизмерительные установки
используют, например, для градуировки и поверки электроизмерительных
приборов.
Все средства измерений по выполняемым метрологическим функциям
делят на образцовые и рабочие. Образцовые средства измерений
предназначены для поверки с их помощью других рабочих средств
измерений. Рабочие средства используют для выполнения всех измерений,
кроме измерений, связанных с поверкой, т. е. передачей размера единиц
величин.
2. ПОНЯТИЕ О СТРУКТУРЕ МЕР-ЭТАЛОНОВ
Для обеспечения единства измерений необходима тождественность
единиц, в которых проградуированы все средства измерений одной и той же
физической величины. Единство измерений достигается путем точного
воспроизведения и хранения установленных единиц физических величин и
передачи их размеров применяемым средствам измерений. Размеры единиц
воспроизводятся, хранятся и передаются с помощью эталонов и образцовых
средств измерений. Высшим звеном в метрологической цепи передачи
размеров единиц измерений являются эталоны.
Эталоном единицы величины называют средство измерений,
предназначенное для воспроизведения и хранения единицы величины (или
кратных либо дольных значений единицы величины) с целью передачи ее
размера другим средствам измерений данной величины. Эталоны делят на
первичные, специальные и вторичные.
Первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы с
наивысшей в стране точностью (по сравнению с другими эталонами той же
единицы). Первичный эталон основной единицы должен воспроизводить
единицу в соответствии с ее определением.
Специальный эталон обеспечивает воспроизведение единицы в особых
условиях и заменяет для этих условий первичный эталон. При этом единица,
воспроизводимая специальным эталоном, должна быть согласована по
размеру с единицей, воспроизводимой с помощью соответствующего
первичного эталона. Первичные и специальные эталоны, официально
утвержденные в качестве исходных средств измерений в стране, называются
государственными.
Например, в России в настоящее время действуют три государственных
эталона единицы электрического напряжения: государственный первичный
эталон единицы постоянного напряжения (ГОСТ 8.027 -- 81),
государственный специальный эталон единицы переменного напряжения в
диапазоне частот 20 Гц - 30 МГц (ГОСТ 8.184 - 76) и государственный
специальный эталон единицы переменного напряжения в диапазоне частот
30 - 3000 МГц (ГОСТ 8.072 -- 82).
Вторичным называют эталон, для которого размер воспроизводимой
им единицы устанавливают по первичному эталону. Вторичные эталоны
делят на рабочие эталоны, эталоны-свидетели, эталоны-копии и эталоны
сравнения. Рабочий эталон предназначается для передачи размера единицы
образцовым средствам измерений высшей точности; эталон-свидетель -- для
проверки сохранности государственного эталона и замены его в случае порчи
или утраты; эталон-копия - для передачи размера единицы рабочим
эталонам, он не всегда является физической копией государственного
эталона. Эталон сравнения (эталон-переносчик, транспортируемый эталон)
предназначен для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не
могут быть непосредственно сличены друг с другом, например, при
международных сличениях, при необходимости транспортирования эталона
и т. д.
В области электрических и электронных измерений в настоящее время
действуют более 50 государственных первичных и специальных эталонов.
Они
эксплуатируются
во
многих
научно-исследовательских
метрологических институтах страны.
Такое количество эталонов, существенно превышающее число единиц
электрических
величин,
объясняется
технико-экономической
целесообразностью централизованного воспроизведения единиц с помощью
эталонов в специальных условиях, определяемых в основном широким
диапазоном частот электронных средств измерений.
Децентрализованное
воспроизведение
производных
единиц
электрических величин посредством косвенных измерений, выполняемых в
органах метрологической службы с помощью образцовых средств
измерений, применяется относительно редко.
Следует отметить, что создание и совершенствование эталонов
является чрезвычайно сложной задачей, требующей больших усилий
коллективов ученых, инженеров, конструкторов и производственников. Это
объясняется, в первую очередь, высокой точностью эталонов единиц
электрических величин, превышающей в десятки раз точность рабочих
средств измерений. К тому же требования к точности воспроизведения
единиц величин непрерывно растут. В современных эталонах все большее
применение находят новейшие достижения физики, химии, технологии. Это
требует высокой квалификации специалистов, применяющих эталоны. Для
ведения работ с эталонами Госстандартом назначается ученый хранитель из
числа наиболее квалифицированных специалистов в данной области
измерений. Работа с эталонами производится в соответствии с правилами их
хранения и применения, в которых указываются порядок применения,
наблюдения за правильностью хранения, проведения исследований и
сличений эталонов, в том числе и международных.
Кроме национальных эталонов единиц, существуют и международные
эталоны Международного бюро мер и весов (МБМВ), которое проводит
систематические международные сличения эталонов национальных
метрологических организаций разных стран с международными эталонами и
между собой.
Образцовые и рабочие меры.
Эталоны, которые воспроизводят единицу измерения, называют
мерами. По назначению меры делят на образцовые и рабочие. Меры,
утвержденные в качестве образцовых, предназначаются для поверки и
градуировки рабочих средств измерений. Рабочие меры служат для
измерений.
По точности воспроизведения физической величины образцовые меры
бывают 1, 2 и 3-го разрядов, причем наименьшая погрешность
воспроизведения у меры 1-го разряда. По допускаемой погрешности
воспроизведения значения физической величины рабочие меры относят к
различным классам точности.
По наименованию воспроизводимой единицы меры делятся на меры
э.д.с. или электрического напряжения; меры электрического сопротивления;
меры электрической емкости; меры индуктивности и взаимной
индуктивности; меры магнитной индукции; меры магнитного потока. По
количеству воспроизводимых размеров величины меры делят на
однозначные и многозначные и наборы мер. Однозначные меры
воспроизводят одно значение физической величины. Многозначные меры
воспроизводят (плавно или дискретно) ряд значений одной и той же
физической
величины.
Широкое
применение
имеют
магазины
сопротивлений, емкости и индуктивности, обеспечивающие ряд дискретных
значений.
Для воспроизведения, хранения и передачи размера единиц различных
величин с помощью специальных мер-эталонов в некоторых странах были
созданы специальные метрологические учреждения. В России таким
учреждением явилось созданное в 1842 г. Депо образцовых мер и весов. В
1892 г. Д. И. Менделеев был назначен ученым хранителем Депо, которое
было в 1893 г. преобразовано в Главную палату мер и весов (ныне НПО
«Всесоюзный НИИ метрологии имени Д. И. Менделеева»).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе данной лекции были подробно рассмотрены и изучены
физические основы электрических измерений, подробно разобрана
классификация электроизмерительной аппаратуры, а так же рассмотрена
структура мер-эталонов. Таким образом, исходя из полученной информации
по данному вопросу, можно выделить задачи, которые должны стоять в
области метрологического обеспечения страны:
-совершенствование и опережающее развитие эталонной базы страны,
повышение точности воспроизведения единиц величин;
-усовершенствование системы передачи единиц величин к средствам
измерений;
-расширение сферы метрологического обеспечения на еще
недостаточно охваченные области;
-развитие общих теорий измерений.