1. Классификация средствизмерений

Для ответа на вопрос «чем измеряем?» необходимо уметь правильно выбрать средства измерений.

Средствами измеренийназывают технические средства, предназначен- ные для измерений, имеющие нормированные метрологические характеристи- ки, воспроизводящие и (или) хранящие единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.

Различают следующие основные виды средств измерений: меры, измери- тельные приборы, измерительные преобразователи, измерительные установки,измерительные информационные системы (ИИС), измерительно-вычислительныекомплексы (ИВК). Более подробная классификация приведена на рис. 1.1.

Мераминазывают средства измерений, предназначенные для воспроиз- ведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких задан- ных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и из- вестны с необходимой точностью.

Однозначная меравоспроизводит физическую величину одного размера, например, мера ЭДСнормальный элемент, задающий ЭДС с высокой точно- стью.Многозначная меравоспроизводит ряд одноименных величин разного размера, например конденсатор переменной емкости.

Набор,иликомплект,содержитнесколькомерразличныхклассовточностии частотного диапазона. Примером набора мер являются магазины сопротивле- ний, емкостей и др.

Меры, используемые при градуировке и поверке других средств измере- ний, называют образцовыми. К ним можно отнести нормальный элемент ЭДС, образцовые меры сопротивления, образцовые катушки индуктивности и взаим- ной индуктивности, образцовые меры емкости и др.

Измерительными прибораминазывают средства измерений, предназна- ченные для получения значений измеряемой физической величины в установ- ленном диапазоне.

Существует достаточно широкая классификация приборовпоразличным признакам: аналоговыеицифровые,показывающиеирегистрирующие, самопи- шущие, печатающие, суммирующие, интегрирующие, приборы сравненияи др.

Меры

Измерительные приборы

Измерительные преобразователи

Комплексные измерительные устройства

Рис. 1.1. Разновидности средств измерений

Аналоговыминазывают приборы, показания которых являются непре- рывными функциями изменения измеряемых величин,цифровымиприборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной инфор- мации и представляющие показания в цифровой форме. Основной признакпо-казывающихприборовналичие шкалы и стрелки или светового луча для ана- логовых приборов и индикаторов – для цифровых.Регистрирующиеприборыосуществляют считываниеирегистрацию показаний, например,ввиде диаграм-мы (самопишущие) или в цифровой форме (печатающие). Примером суммиру- ющего прибора может служить ваттметр, предназначенный для измерения суммарной мощности нескольких генераторов,интегрирующегосчетчик электрической энергии, прибора сравнениямост, потенциометр.

Электроизмерительные аналоговые приборы по способу преобразования подводимой электромагнитной энергии (измеряемой электрической величины или величины, пропорциональной ей) в механическую энергию перемещения подвижной части (отклонение стрелки или светового луча) подразделяются на следующие основные группы: магнитоэлектрические, электромагнитные, элек- тродинамические, выпрямительные, электронные и др.

В магнитоэлектрических измерительных механизмах вращающий момент создается в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля катушки с током. Отклонение указателя пропорционально первой степени тока, поэтому при изменении направления тока меняется на об- ратное и направление отклонения подвижной части, следовательно, приборы можно использовать лишь в цепях постоянного тока.

В цепях несинусоидального тока магнитоэлектрические приборы реаги- руют на постоянную составляющую ряда Фурье для токаI₀или напряженияU₀. Эти приборы имеют равномерную шкалу и относятся к числу наиболее точных и высокочувствительных. Такие преимущества позволяют использовать магни- тоэлектрические измерительные механизмы с различными преобразователями переменного тока в постоянный для измерений в цепях переменного тока.

В качестве преобразователей применяются полупроводниковые диоды, электронные лампы и транзисторы. В соответствии с типом преобразователя различают выпрямительные (детекторные) и электронные приборы.

Выпрямительные приборы отличаются высокой чувствительностью и ма- лым потреблением мощности, но вследствие нелинейности характеристик дио- дов и их частотной зависимости класс точности этих приборов не выше 1,5. От-

клонение подвижной части измерительного механизма пропорционально сред- нему значению измеряемого тока (напряжения):

1

I 

2

0

ср _2

i(t)dt.

(1.1)

Однако выпрямительные приборы градуируются в действующих значе- ниях синусоидального тока (напряжения). Действующее значение токаIсвяза- но со среднимI_сркоэффициентом формы

I

k_фI ,

(1.2)

ср

который для однополупериодного выпрямления синусоиды равен 1,11.

k

При использовании выпрямительного прибора в цепях несинусоидально- го тока в показаниях прибора появляется погрешность, поэтому при измерени- яхв цепях несинусоидальноготока необходимовводить корректировку, свя-

занную с отличием реального коэффициента формы

^' от1,11.

ф

С этой целью обычно корректируется цена деления (постоянная прибора), например, для вольтметра:

C_U^C_U

k_ф^k

, (1.3)

ф

гдеС_Uцена деления при измерении напряжения синусоидальной формы;

k_ф= 1,11коэффициент формы кривой синусоидальногонапряжения.

К числу основных преимуществ электронных приборов следует отнести их повышенную чувствительность и малое потребление мощности от использу- емого источника, что дает возможность применять их для измерений в мало- мощных цепях. К недостаткам указанных приборов можно отнести их невысо- кую точность и необходимость применения внешних источниковпитания.

В настоящее время наиболее распространены электронные вольтметры среднего, действующего и амплитудного значения. Между амплитуднымU_m, действующимUи среднимU_срзначениями напряжения определенной формы кривой имеется связь через коэффициенты амплитудыk_аи формыk_ф:

k

^ ^Um;

_{a U}

 _U

(1.4)

_kф

_

 .

^Ucp

для синусоиды эти коэффициентысоответственноравны и 1,11.

При использовании в цепях несинусоидального тока необходима анало- гичная корректировка цены деления шкалы вольтметров после определенияре-

альных значений

k_а^и

k_ф^.

Электромагнитные приборы являются наиболее распространенными для измерений в цепях переменного тока благодаря простоте конструкции, надеж- ности вработе, способности выдерживать значительные перегрузки.К недостат- кам данных приборов следует отнести невысокую точность и малую чувстви- тельность и подверженность влиянию внешних магнитных полей. Электромаг- нитные приборы реагируют на действующее значение измеряемой величины.

Главным положительным свойством приборов электродинамической си- стемы является высокая точность измерений в цепях переменного тока, недо- статком – большое потребление мощности и слабая защита от внешних магнит- ных полей.

Электродинамические приборы реагируют на действующее значение измеряемой величины.

По сравнению с аналоговыми цифровые измерительные приборы (ЦИПы) имеют ряд существенных преимуществ:

а) удобство отсчета и регистрации результатов измерения; б) более высокие точность и быстродействие;

в) возможность сочетания ЦИПа с вычислительными и различными ав- томатическими устройствами;

г) возможность дистанционной передачи результатов измерения в виде кода без потери точности.

Любой ЦИП содержит два обязательных функциональных узла: аналого- цифровой преобразователь, выдающий код в соответствии со значением изме- ряемой величины, и цифровое отсчетное устройство, отражающее это значение в цифровой форме.

Для образования кода непрерывная измеряемая величина в ЦИПе дискре- тизируется во времени и квантуется по уровню.

Дискретизацией непрерывной во времени величиныx(t) называется опе- рация преобразованияx(t) в прерывную во времени, значения которой отличны от нуля и совпадают с соответствующими значениямиx(t) только в определен- ные моменты времени. Промежуток между двумя соседними моментами вре- мени дискретизации называется шагом дискретизации, который может быть постоянным или переменным.

Квантованием по уровню непрерывной по уровню величиныx(t) называ- ется операция преобразованияx(t) в квантованную величинуx_к(t).Квантован- ной называется величина, которая может принимать в заданном диапазоне определенное конечное число значений. Фиксированные значения квантован- ной величины называются уровнями квантования. Разность между двумя со- седними уровнями называется шагом квантования или квантом.

Код в ЦИПе вырабатывается в соответствии с отождествляемым измеряе-мому значению уровнем квантования. Отождествление может производиться сближайшим большим, ближайшим меньшим или равным уровнем квантования.Число возможных уровней квантования определяется устройством ЦИПа.

От числа уровней зависит емкость (число возможных отсчетов) отсчетного устройства. Например, если у ЦИПа отсчетное устройство имеет максимальное показание 999, то такой прибор множество значений измеряемой величины в пределах от 0 до 999 отражает в виде 1000 различных показаний.

Врезультате квантования измеряемой величины по уровню возникает погрешность дискретности, обусловленная тем,чтобесконечноемножествозна-ченийизмеряемой величины отражается лишь ограниченным количеством пока- заний ЦИПа. Возникновение погрешностиx_диллюстрируетрис.1.2,накото-ромприняты следующие обозначения:x(t)измеряемая величина;х_к1, х_к2,...,х_кnуровни квантования;t₁,t₂,...,t_nмоменты времени измерений;A₁, A₂,...,A_nмгновенные значенияx(t) вмоментыt₁, t₂,...,t_n.

В большинстве случаев измерений имеется разность между показаниями ЦИПа и значениями измеряемой величины в моменты измерений. Эта разность есть абсолютная погрешность дискретностиx_д= х_ki– х(t_i).

Измерительными преобразователяминазывают технические средства с нормативными метрологическими характеристиками, служащие для преобразо- вания измеряемой величины в другую величину, или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи.

Рассмотрим подробнее группу преобразователей, называемых масштаб- ными, они служат для количественного преобразования одних электрических величин в другие. К ним относятся шунты, добавочные сопротивления, измери- тельные трансформаторы тока и напряжения. Применение масштабных преоб- разователей позволяет производить измерения относительно больших токов и напряжений приборами, имеющими меньшие пределы измерений.

Рис. 1.2. Квантование непрерывной величины

Шунтыпредназначеныдлярасшире- _Rи

ния пределов измерения амперметров глав-

ным образом магнитоэлектрической системы. Шунт представляет собой резистор, подклю- чаемый параллельно измерительному меха- низму (ИМу) (рис. 1.3).

Еслинеобходимо измеритьток

I^_N,вnраз

Рис. 1.3. Измерение тока

больший токаI_N

ИМа, сопротивление шунта

амперметром с шунтом

гдеR_и

• сопротивлениеИМа;

R_ш

R_иn1

, (1.5)

n^IN

I_N

• коэффициентшунтирования.

Потребляемая амперметром мощность

^{PI}2^{R I}2

R_{иRш .}

(1.6)

N А N _RR

и ш

Магнитоэлектрический ИМ амперметра с номинальным токомI_N

может

быть использован в качестве вольтметра с номинальным напряжением

U_NI_NR

(R = R_и– для схемы без шунта,R = R_A– с шунтом). На сравнительно

небольшие токи (до 30 А) шунты помещаются в корпусе прибора, на большие токи (до 7,5 кА) применяются наружные шунты.

Добавочные сопротивления (де- лители напряжения)служат для расши- рения пределов измерения вольтметров различных систем. Для образования дели- теля напряжения последовательнос

ИМом включается добавочный резисторс

Рис. 1.4. Измерение напряжения вольтметром с добавочным сопротивлением

сопротивлениемR_д(рис. 1.4).

Если необходимо измерить напря-жениеU_N^,вmразбольшеенапряженияна

ИМеU_N, то сопротивление добавочного резистора

R_дR_и(m1), (1.7)

где

m^UN

U_N

• коэффициентделения.

Потребляемая вольтметром мощность

гдеR_V= R_и+ R_д.

_P^U_N

2

R_V

, (1.8)

Ток полного отклонения подвижной части вольтметраI₀=

подключенииR_дне изменяется:

U_N/R_ипри

I₀=U_Nm/R_V. (1.9)

Добавочные сопротивления применяют для напряжений до 30 кВ пос- тоянного тока и переменного тока при частоте от 10 Гц до 20 кГц.

Измерительные трансформаторы тока (ИТТ) и измерительные трансформаторы напряжения (ИТН)используются как преобразователи больших переменных токов и напряжений в относительно малые, допустимые для измерений обычными приборами со стандартными пределами измерений (как правило, 5 А и 100 В). Применением трансформаторов в цепях высокого напряжения достигается безопасность при проведении измерений, так как при- боры включаются в цепь низкого напряжения, которая к тому же заземляется.

Измерительные трансформаторы состоят из двух изолированных друг от друга обмоток, помещенных на ферромагнитный сердечник.

У ИТТ первичная обмотка включается последовательно в цепь измеряе- мого тока; во вторичную обмотку включаются приборы с малым внутренним сопротивлением: амперметры и токовые обмотки ваттметров, фазометров, счетчиков, поэтому ИТТ работают в режиме, близком к короткому замыканию. Опасным для ИТТ режимом является размыкание вторичной цепи, что может привести к увеличению ЭДС до нескольких сотен вольт и электрическому или термическому разрушению изоляции вторичной обмотки.

Первичная обмотка ИТН включается на измеряемое напряжение, во вто- ричную обмотку включаются приборы с большим внутренним сопротивлением: вольтметры и обмотки напряжения ваттметров, фазометров, счетчиков, поэто- му ИТН работают в режиме, близком к холостому ходу.

Значения измеряемых (первичных) величинI₁иU₁определяются по по- казаниям приборовI₂иU₂, умноженным на номинальные коэффициенты трансформации

k_IN

_^I1N_,

I

(1.10)

2N

U

k ^U1N.

N _U

(1.11)

2N

Обычно у ИТТI_2N= 5 А, у ИТНU_2N= 100 В. ЗначенияI_1NиU_1Nзависят от типов и назначения измерительных трансформаторов.

Использование номинальных коэффициентов трансформации вместо их действительных значенийk_Iиk_U, которые не являются постоянными,приводиткпогрешностям:

токовой

k_I k_I

напряжения

f_I^N 100%; (1.12)

k_I

k_U k_U

f_U^N 100%. (1.13)

k_U

Кроме того, ИТТ и ИТН имеют угловую погрешность, связанную с не- точностью передачи фазы вторичной величины первичной величине.

Измерительной установкойназывается совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенных для измерений одной или нескольких физических величин и расположенных в одном месте. Измерительная установ- ка позволяет предусмотреть определенный метод измерения и заранее оценить погрешность измерений.

Примерами измерительных установок являются установка для измерений удельного сопротивления электротехнических материалов, установка для испы- таний магнитных материалов и т. п.

Измерительные информационные системыпредставляют собой сово- купность функционально объединенных мер, измерительных приборов, изме- рительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещен- ных в разных точках контролируемого объекта с целью измерения одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях.

Основным отличием ИИС от других средств измерения является автома- тический сбор измерительной информации от ряда источников и многократное использование преобразователей сигналов.

Примером ИИС является измерительная система теплоэлектростанции, позволяющая получать измерительную информациюоряде физических величинвразныхэнергоблоках,она можетсодержатьсотниизмерительныхканалов.

Измерительно-вычислительные комплексы– это функционально объ- единенная совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения в составе измерительной системы конкретной измерительной задачи.

Примером такой системы является измерительно-вычислительный комплексИВК «Омск-М», который позволяет измерять различные электрические вели- чины (ток, напряжение, мощность, частоту и др.). При этом прибор имеет до 18 измерительных каналов.