Раздел 1 Введение. Общие понятия измерительной техники 1.1. Общие сведения Бурное развитие различных направлений средств радиоаппаратостроения и радиотехники в целом предъявляет все более высокие требования к метрологическому обеспечению и уровню электрорадиоизмерений (проще, радиоизмерений, измерений). В этой связи для теории и практики радиоизмерений характерны: • расширение пределов измеряемых величин и повышение точности их измерений; • разработка новых методов измерений и приборов с использованием новейших физических принципов действия; • внедрение автоматизированных измерительных систем обладающих высокой точностью, быстродействием и надежностью. Технике радиоизмерений свойственен ряд особенностей: 1) Очень широкий диапазон измеряемых величин, например, по мощности от долей микроватт до сотен киловатт, по напряжению - от долей микровольт до сотен тысяч вольт, по частоте - от10-2 до 3·1012 Гц и более, по величине сопротивления - от 10-6 до 1012 Ом и т д. 2) Так как основной объект исследования в радиотехнических цепях электрический сигнал - является носителем используемой информации, необходимы наблюдения и исследование формы и спектра электрических колебаний, а также генерирование их копий и образцов. Этим вызвано широкое применение в практике радиоизмерений приборов для наблюдения и регистрации колебаний (осциллографов, анализаторов спектров) и источников электрических колебаний (измерительных генераторов); 3) Из-за сложности структуры современных радиотехнических устройств и большого количества всевозможных параметров, описывающих 3 их работу, характерно разнообразие измерений даже в одном эксперименте, необходимость комплексного их проведения, быстродействие, точность, а следовательно, автоматизация измерений. Основная задача научиться правильно и обосновано выбирать метод и измерительные приборы, обеспечивающие наилучшую достоверность данного измерения, обработать полученные показания с учетом неизбежных погрешностей и определить значение измеренной величины наиболее приближенное к истинному. Для того чтобы успешно справиться с многочисленными и разнообразными проблемами электрорадиоизмерений, студентам необходимо освоить ряд общих принципов их решения, определить единую научную и законодательную базу, обеспечивающую на практике высокое качество измерений независимо от того, где и с какой целью они выполняются. Такой базой является метрология (от греч. «метрон» - мера, «логос» - учение) Метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Тема 1.1 Основные виды и методы измерений, их классификация 1.1.1 Виды измерений Виды измерений определяются физическим характером измеряемой величины, требуемой точностью и необходимой скоростью измерения, условиями измерений и пр. Можно выделить виды измерений в зависимости от их цели: контрольные, диагностические, лабораторные, технические, эталонные, поверочные, абсолютные, относительные и т.д. По общим приемам получения результатов измерений они делятся на: прямые, косвенные, совместные и совокупные. 4 Прямые - измерения, при которых значение физической величины находится непосредственно из опытных данных. Прямые измерения характеризуют формулой: А = х, (1.1) где х - значение величины, найденное путем ее измерения и называемое результатом измерения. Косвенным называют измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Косвенные измерения можно охарактеризовать следующей формулой: A = f(x1, x2, … , хm), (1.2) где х1, х2, ... , хm - результаты прямых измерений величин, связанных функциональной зависимостью f с искомым значением измеряемой величины А. К косвенным измерениям относится определение резонансной частоты колебательного контура по результатам прямых измерений емкости и индуктивности и т.д. Совокупными называют проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых их значения находят решением системы уравнений, получаемых при прямых или косвенных измерениях различных сочетаний этих величин. При этом могут измеряться несколько комбинаций значений величин. Например, измеряя сопротивления Rab, Rac и Rbc между вершинами треугольника электрической цепи, в котором соединены сопротивления резисторов R1, R2 и R3 (рис. 1.1) и, решая систему уравнений типа (1.5) можно определить искомые значения сопротивлений R1, R2 и R3 методом совокупных измерений: 5 Рисунок 1.1 К методу совокупных измерений Rab = R ( R + R2 ) R1 ( R2 + R3 ) R ( R + R3 ) , ; Rac = 2 1 ; Rbc = 3 1 R1 + R2 + R3 R1 + R2 + R3 R1 + R2 + R3 (1.3) Совместными называют проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для установления зависимости между ними. Как видно из определений, совокупные и совместные измерения весьма близки друг к другу. В обоих случаях искомые значения находят в результате решения системы уравнений, коэффициенты в которых получены путем прямых измерений. Отличие состоит в том, что при совокупных измерениях одновременно определяют несколько одноименных величин, а при совместных - разноименных. Наиболее известный пример совместных измерений - определение зависимости сопротивления резистора от температуры: R1 = R 20 [1+ α (t - 20) + β (t - 20)2], (1.4) где R20 - сопротивление резистора при t = 20 °С; α, β - температурные коэффициенты. Для определения R20, α и β вначале измеряют сопротивление Rt резистора при, например, трех различных значениях температуры (t1, t2, t3), а затем составляют систему из трех уравнений, по которой находят параметры R20, α и β. Rt1 = R20 [1 + α (t1 − 20) + β (t1 − 20) 2 ]; Rt2 = R20 [1 + α (t 2 − 20) + β (t 2 − 20) 2 ]; 6 Rt 3 = R20 [1 + α (t3 − 20) + β (t3 − 20) 2 ]. Косвенные, совместные и совокупные измерения объединены общим свойством: их результаты рассчитывают по известным функциональным зависимостям между измеряемыми величинами и величинами, определяемыми прямыми измерениями. Различие между этими видами измерений заключается лишь в виде функциональной зависимости, используемой при расчетах. При косвенных измерениях она выражается одним уравнением в явном виде, при совместных и совокупных - системой неявных уравнений. В зависимости от выражения результатов измерения делят на: абсолютные и относительные. Абсолютные измерения основаны на прямых измерениях одной или нескольких величин с использованием значений физических констант. Результат абсолютного измерения непосредственно выражают в единицах измеряемой величины. Относительные измерения - измерения соотношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную. При относительных измерениях используют внесистемную безразмерную единицу - децибел (дБ), определяемую при сравнении напряжений (иногда токов) U2 и U1: 1 дБ = 20 lg (U2 /U1), при U2/U1 = 1О1/20 = 1,122; а при сравнении мощностей Р2 и P1; 1 дБ = 101g (Р2/Р1), при Р2/Р1 = 101/10 = 1,259. Для перевода отношений мощностей и напряжений (токов) в децибелы и обратно применяют справочные таблицы. 7 1.1.2 Методы измерений Конкретные методы измерений определяются видом измеряемых величин, их размерами, требуемой точностью результата, быстротой процесса измерения, условиями, при которых проводятся измерения, и рядом других признаков. Современные методы измерений принято делить на метод непосредственной оценки и метод сравнения (рис. 1.2). Рисунок 1.2 Классификация методов измерения При методе непосредственной оценки численное значение измеряемой физической величины определяют непосредственно по показанию измерительного прибора (например, измерение напряжения вольтметром, силы тока - амперметром). Быстрота процесса измерения методом непосредственной оценки делает его часто незаменимым на практике, хотя точность измерения обычно ограничена. Метод сравнения - метод измерений, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Это может быть, например, измерение напряжения постоянного тока путем сравнения с ЭДС эталонного элемента. Приборы, реализующие измерение по методу сравнения, называют измерительными приборами сравнения. В отличие от приборов непосредственной оценки, удобных для получения оперативной информации, приборы сравнения обеспечивают большую точность измерений. 8 Различают следующие разновидности метода сравнения; • нулевой метод, при котором действие измеряемой величины полностью уравновешивается образцовой; • дифференциальный метод, когда измеряется разница между измеряемой величиной и близкой ей по значению известной эталонной (например, измерение электрического сопротивления методом неуравновешенного моста); этот метод сравнения используют тогда, когда практическое значение имеет отклонение измеряемой величины от некоторого номинального значения (уход частоты, отклонение напряжения и т.д.); • метод замещения, при котором действие измеряемой величины замещается образцовой. Нулевой метод обеспечивает наибольшую точность измерений физической величины. Его разновидностями являются: • компенсационный метод, при котором действие измеряемой величины компенсируется (уравновешивается) образцовой; • мостовой метод, когда достигают нулевого значения тока в измерительной диагонали моста, в которую включается чувствительный индикаторный прибор (обычно нуль-индикатор). По способу преобразования измеряемой величины и форме представления результата измерения делятся на: аналоговые и цифровые. При аналоговых измерениях измерительный прибор непрерывно преобразует измеряемую величину, результатом которого является перемещение указателя относительно шкалы. Заключение о численном значении величины делает оператор, отмечая положение указателя относительно отметок шкалы прибора. В случае цифровых измерений сравнение физической величины с рядом образцовых значений осуществляется в приборе автоматически, оператор же получает численное значение измеренной величины в цифровой форме. 9 По характеру изменения измеряемой физической величины во времени различают статический и динамический режимы измерений. Статический режим измерений - режим, при котором средство измерений работает в статическом режиме, при этом выходной сигнал остается неизменным в течение времени его исследования или меняется очень медленно. Динамический режим измерений - режим, результатом которого является функциональная зависимость измеряемой величины от времени, т.е. когда выходной сигнал изменяется во времени в соответствии с изменением во времени измеряемой величины. Итак, динамические измерения применяют для измерения параметров величин, имеющих зависимость от времени. Пример динамического измерения - определение мгновенных значений сигналов в течение какого-либо интервала времени. В зависимости от метода измерения и свойств применяемых средств измерений, все виды измерений могут выполняться либо с однократными, либо с многократными наблюдениями. 1.1.3 Средства измерений и их классификация Средство измерений (СИ) - техническое средство (или их комплекс), предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным в течение известного интервала времени. Измерять с приемлемой точностью можно при условии, что средство измерений обеспечивает хранение (или воспроизведение) единицы измеряемой величины практически неизменной как во времени, так и под воздействием факторов окружающей среды. Причем эту неизменность размера единицы во времени и подверженность ее изменениям под воздействием влияющих факторов необходимо контролировать. В 10 зависимости от требований к качеству измерений этот контроль осуществляют с помощью различных средств измерений. Для средств измерений можно выделить некоторые общие признаки, присущие всем средствам измерений независимо от области применения. По роли, выполняемой в системе обеспечения единства измерений, различают следующие средства измерений: • метрологические, предназначенные для метрологических целей воспроизведения единицы и (или) ее хранения или передачи размера единицы рабочим средствам измерений; • рабочие, применяемые для измерений, не связанных с передачей размера единиц. Метрологические средства измерений весьма немногочисленны. Их разрабатывают, производят и эксплуатируют в специализированных научноисследовательских центрах. Поэтому подавляющее большинство используемых на практике средства измерений принадлежат ко второй группе. По уровню автоматизации все средства измерений делят на: • неавтоматические; • автоматизированные, производящие в автоматическом режиме одну или часть измерительной операции; • автоматические, производящие в автоматическом режиме измерения все операции, связанные с обработкой их результатов, регистрацией, передачей данных или выработкой управляющих сигналов. По отношению к измеряемой физической величине различают следующие средства измерений: • основные - средства измерений той физической величины, значение которой надо получить в соответствии с измерительной задачей; 11 • вспомогательные - средства измерений той физической величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерения необходимо учесть для получения результатов измерения требуемой точности. По реализации процедуры измерения средства измерений бывают элементарными и комплексными. Средства измерений разделяют на меры, устройства сравнения (компараторы), измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы. 1.1.4 Элементарные средства измерений Элементарные средства измерений предназначены для реализации отдельных операций прямого измерения. К ним относят меры, устройства сравнения и измерительные преобразователи. Каждое из них, взятое по отдельности, не может осуществить операцию измерения. Мера - средство измерения, воспроизводящее физическую величину заданного размера (значения). В качестве меры в радиоизмерениях используют измерительный резистор (мера электрического сопротивления) и т.д. Меры бывают однозначными и многозначными: • Однозначная мера воспроизводит физическую величину одного размера; • Многозначная мера воспроизводит ряд одноименных величин различного размера, например, потенциометр, конденсатор переменной емкости. Кроме этого, различают наборы мер, магазины мер, установочные и встроенные меры. Набор мер - специально подобранный комплект однотипных элементов, применяемых не только по отдельности, но и в различных сочетаниях для воспроизведения ряда одноименных величин 12 разного размера, например, набор измерительных резисторов, или конденсаторов. Устройство сравнения (компаратор) - это средство измерений, позволяющее сравнивать друг с другом меры однородных величин или же показания измерительных приборов. Примером может служить фотореле, включающее (выключающее) уличное электрическое освещение. Измерительный преобразователь средство - измерений, вырабатывающее сигнал измерительной информации в форме, удобной для передачи, преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию исследователя. По виду входных и выходных величин измерительные преобразователи делятся на: • аналоговые, преобразующие одну аналоговую величину в другую аналоговую величину; • аналого-цифровые (АЦП), предназначенные для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код; • цифро-аналоговые (ЦАП), предназначенные для преобразования цифрового кода в аналоговую величину. 1.1.5 Комплексные средства измерений Комплексные средства измерений предназначены для реализации всей процедуры измерения. К ним относят: измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы. Измерительный прибор - средство измерения, предназначенное для выработки определенного вида сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия оператором. В радиотехнике сигналом измерительной информации является электрический сигнал, функционально связанный с измеряемой физической величиной. Информативным параметром входного электрического сигнала 13 средства измерения служит параметр входного сигнала, функционально связанный с измеряемой физической величиной и используемый для передачи ее значения или являющийся самой измеряемой величиной. Измерительная объединенных установка средств совокупность - измерений и функционально вспомогательных устройств, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительная система (ИС) - совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в удобной для автоматической обработки форме, ее передачи и использования в системах управления. Измерительные информационно-измерительные системы системы условно (ИИС), делят на измерительно- вычислительные комплексы (ИВК) и компьютерно - измерительные системы (КИС). Информационно-измерительные системы - совокупность функционально объединенных средств измерений, средств вычислительной техники и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации о физических величинах, свойственных данному передачи и (или) использования в автоматических системах управления. Измерительно-вычислительные комплексы представляют собой совокупность средств измерений и компьютеров, объединенных с помощью устройств сопряжения и предназначенных для измерений, научных (виртуальный прибор) исследований и расчетов. Компьютерно-измерительная состоит из стандартного или система специализированного компьютера со встроенной в него платой (модулем) сбора данных. 14 Контрольные вопросы: 1. Что изучает дисциплина метрология? 2. Какое место занимает метрология среди других наук? 3. Дайте определение физической величины. 4. Что такое размерность физической величины? 5. Приведите примеры основных, дополнительных и производных физических величин. 6. По каким признакам классифицируются методы измерений? 7. Какие методы измерений вам известны? 8. Что такое условия измерений? Какими они бывают? 9. Что такое результат измерения и чем он характеризуется? 10. Дайте определения прямых, косвенных, совместных и совокупных видов измерений. 11. Приведите примеры измерений каждого вида. Тема 1.2 Метрологические показатели средств измерений 1.2.1 Физические свойства и величины Любой объект окружающего мира характеризуется своими свойствами. Свойство - философская категория и по своей сути - категория качественная. Величина - свойство чего-либо, которое может быть выделено среди других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе и количественно. Физическая величина - свойство, общее в качественном отношении для множества объектов, физических систем, их состояний и происходящих в них процессов, но индивидуальное в количественном отношении для каждого из них. Качественная сторона понятия «физическая величина» определяет ее 15
