Лекция № 1 1 Общие вопросы электрорадиоизмерений Суть термина «электрорадиоизмерения» – измерение электрических параметров (напряжение, ток, сопротивление, напряженность, мощность и др.) во всем используемом спектре электромагнитных колебаний: от постоянного тока вплоть до световых волн. Объектами «электрорадиоизмерения» являются измерительные приборы и устройства, которые путем использования электрофизических или электрохимических закономерностей позволяют производить измерения физических величин. Главной задачей электрорадиоизмерений является развитие методов и техники измерений электрических величин и параметров радиотехнических устройств, направленное на расширение пределов измерений физических величин и частотных диапазонов измерений, повышение точности, надежности, удобства эксплуатации технических средств измерений. Электрорадиоизмерения основываются на: – теоретических достижениях, выражающихся в создании более совершенных методов измерений; – технических достижениях, связанных с разработкой более надежных и точных средств измерений; – метрологии и стандартизации. 1.1 Краткий исторический очерк Русские ученые внесли заметный вклад в развитие электроизмерительной техники. Первый в мире электроизмерительный прибор – «указатель электрической силы» был создан в 1745 году в России академиком Г. В. Рихманом, соратником М. В. Ломоносова. Это был электрометр прибор для из- мерения разности потенциалов, он предназначался для изучения атмосферного электричества. Много сделал для развития электроизмерительной техники во второй половине ХIХ – начале ХХ века выдающийся русский электротехник М. О. Доливо-Добровольский. Он разработал амперметр и вольтметр электромагнитной системы, ферродинамический ваттметр, индукционный измерительный механизм, который затем был положен в основу ваттметра и фазометра. К этому же периоду относятся работы известного русского физика А. Г. Столетова, открывшего закон изменения магнитной проницаемости вещества в зависимости от напряженности поля и предложившего метод определения характеристик магнитных материалов с помощью баллистического гальванометра. Примерно в те же годы важную роль в развитии электроизмерительной техники сыграли труды академика Б. С. Якоби. Им разработан ряд приборов для измерения сопротивления электрической цепи, сделаны первые шаги в области обеспечения единства измерений: ему принадлежат идеи классификации электроизмерительных приборов, создания и сверки эталонов электрических величин. Достижения в области электрорадиоизмерений могут быть охарактеризованы следующими параметрами: пределы измеряемой мощности исчисляются от 10−21 до 1010 Вт, пределы измерения сопротивлений – от 10 −6 до 1014 Ом, напряжений – от 10−10 до 106 В, токов – от 10−18 до 105 А. Радиоизмерения базируются на теоретических достижениях метрологии в области развития методов измерений и обработки измерительной информации. Большинство радиотехнических измерений выполняется по стандартным методикам, в особенности это касается измерений, связанных с контролем технических параметров различных радиоэлектронных устройств при их производстве и эксплуатации. В свою очередь, развитие измерительной техники позволяет все более точно и достоверно осуществлять контроль параметров изделий и технологических процессов, что приводит к замене одних стандартов (технических регламентов) другими, более совершенными. В результате влияния радиоизмерений на метрологию развиваются методы измерений, вводятся более точные эталоны физических величин и т.п. Важным этапом в развитии радиоизмерений и метрологии явилось создание средств измерений на базе микропроцессорной техники и связанная с этим автоматизация измерений и обработки их результатов с применением новейших программно-аппаратных средств вычислительной техники. 1.2 Основные определения электрорадиоизмерений Измерение ‒ процесс экспериментального получения одного или более значений величины, которые могут быть обоснованно приписаны величине. Объект измерения ‒ материальный объект или явление, которые характеризуются одной или несколькими измеряемыми величинами. Результат измерения величины – множество значений, приписываемых измеряемой величине вместе с любой другой доступной и существенной информацией. Измеренное значение величины – значение, которое представляет результат измерения. Истинное значение величины – значение, которое соответствует определению измеряемой величины. Количественной характеристикой близости измеренного значения к истинному значению измеряемой величины является точность результата измерения, или точность измерений Погрешность результата измерения – разность между измеренным значением величины и её опорным значением. В этом понятии отражена недостижимость истинного значения величины посредством ее измерений. Если опорное значение величины известно, как, например, при калибровке средств измерений, то известно и значение погрешности измерения. Если в качестве опорного значения выступает истинное значение величины, то значение погрешности неизвестно. Тщательное выполнение измерений, использование более точных СИ, применение различных методов и приемов измерений может в лучшем случае только уменьшить погрешность измерения, но полностью исключить погрешность из результатов измерений невозможно. Поэтому в задачу каждого измерения обязательно входит оценка погрешности полученного результата измерения. Международная система величин – система величин, основанная на подмножестве семи основных величин: длины, массы, времени, электрического тока, термодинамической температуры, количества вещества и силы света. В таблице 1 представлены основные единицы СИ. Система основных величин, должна обозначаться символами LMTIΘNJ, обозначающими соответственно символы основных величин – длины L, массы M, времени T, силы электрического тока I, температуры Θ, количества вещества N и силы света J. Таблица 1. Основные единицы СИ Все электрические единицы, за исключением ампера, являются производными, т.е. выражаются через основные единицы. Производная единица ‒ единица измерения для производной величины. Среди производных единиц выделяют когерентные единицы. Когерентная единица ‒ производная единица величины, которая для данной системы величин и для выбранного набора основных единиц представляет собой произведение основных единиц, возведенных в степень, с коэффициентом пропорциональности, равным единице. Все производные электрические и магнитные единицы СИ являются когерентными (табл.2). Таблица 2. Производные единицы электрических и магнитных величин В современной инженерной, конструкторской, технологической, научно-технической документации используются единицы СИ, а для обозначения малых и больших величин допускается использование соответственно дольных и кратных единиц со стандартизированными обозначениями приставок (табл.3) Таблица 3. Приставки для обозначения дольных и кратных единиц 1.3 Классификация измерений В зависимости от способа получения информации измерения делятся на прямые, косвенные, совместные и совокупные (рис.1). Прямое измерение ‒ измерение, при котором искомое значение величины получают непосредственно от средства измерений. Примерами прямых измерений могут служить измерения тока амперметром, температуры термометром и т.п. Говорят, что при прямых измерениях значение измеряемой величины получается путем экспериментального сравнения с известным значением однородной величины. Косвенное измерение ‒ измерение, при котором искомое значение величины определяют на основании результатов прямых измерений других ве- личин, функционально связанных с искомой величиной. Например, сопротивление может быть рассчитано по формуле R = U/I, где U – напряжение, измеренное вольтметром, I – ток, измеренный амперметром. Совокупные измерения – проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях. Примером совокупных измерений может служить нахождение сопротивлений двух резисторов по результатам измерений сопротивлений последовательного и параллельного соединений. Искомое значение сопротивлений находят из системы двух уравнений. Совместные измерения ‒ проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними. Примером совместных измерений является определение коэффициентов в формуле, связывающей сопротивление резистора и температуру. Рис. 1. Классификация измерений По характеру результата измерений измерения подразделяются на абсолютные и относительные. Абсолютные измерения – это измерения, основанные на прямых измерениях одной или нескольких величин и использовании значений физических констант. Результат измерения непосредственно выражается в единицах измеряемой величины. Например, измерение сопротивления в омах, силы тока в амперах, емкости в фарадах, длины в метрах и т.д. Относительные измерения – это измерения отношения значения физической величины к одноименной величине или изменения значения величины по отношению к одноименной величине, принятой за исходную. Характерными примерами таких измерений являются измерения коэффициентов усиления или ослабления, отношения напряжений и мощностей и т.д. Совместные совокупные измерения по способам нахождения искомых значений измеряемых величин близки между собой. Отличие состоит в том, что при совокупных измерениях одновременно измеряют несколько одноименных величин, а при совместных – разноименных. По числу измерений – однократные и многократные. Однократное измерение – измерение, выполненное один раз. Например, измерение конкретного момента времени по часам обычно производится один раз. Многократное измерение – измерение одного и того же размера величины, результат которого получают из нескольких следующих друг за другом однократных измерений. Приведенные виды измерений включают различные методы, т.е. способы решения измерительной задачи с теоретическим обоснованием и разработкой использования СИ по принятой методике выполнения измерений (МВИ) С какого числа измерений можно считать измерения многократными? Строгого ответа на этот вопрос нет. Однако известно, что с помощью таблиц статистических распределений ряд измерений может быть обработан по правилам математической статистики при числе измерений n ≥ 4 .
