книги / Специальные методы электрических измерений

В книге изложены основные определения и понятия (классификация методов измерений, чув­ ствительность и погрешность измерений); образ­ цовые меры; нулевые указатели; вспомогательная аппаратура; мостовые методы поогоянного тока; мостовые методы переменного тока; компенсаци­ онные методы -постоянного и переменного тока; защита измерительных установок.

Книга предназначена для студентов энергети­ ческих факультетов :в качестве учебного пособия.

Типография № 1 Госэнергоиздата. Москва, Шлюзовая наб., 10.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Общеизвестна существенная роль электрических ме­ тодов измерения электрических и иеэлектрических вели­ чин в дальнейшем прогрессе науки и техники, столь не­ обходимом для создания материально-технической базы коммунизма; естественно, что этим методам вообще по­ священа обширная литература.

Предлагаемая вниманию читателей книга представ­ ляет собой попытку более или менее полного и система­ тического изложения сведений о некоторых, достаточно распространенных и важных методах электрических из­ мерений— мостовом и компенсационном. Главное внима­ ние при этом обращалось на выяснение физической сущ­ ности происходящих процессов. Поэтому автор созна­ тельно не пытался применить какой-либо единый метод расчета всех -вариантов измерительных цепей, хотя со­ временные методы теории линейных цепей такие возмож­ ности дают.

Пользуюсь случаем искренне поблагодарить всех сво­ их товарищей по работе, которые помогали мне при под­ готовке рукописи, и в первую очередь — К- М. Соболев­ ского, Г. А. Штамбергера, Ф. Б. Гриневича, Л. Д. Гика. В равной степени я искренне благодарен 'рецензенту — проф. М. И. Левину, сделавшему ряд весьма полезных указаний.

Все замечания, которые были бы очень желательны, просьба направлять по адресу: Москва, Ж-114, Шлюзо­ вая набережная, Госэнергонздаг.

К. Карандеев

ВВЕДЕНИЕ

Познавательный процесс, в результате которого уста­ навливается определенное соотношение между исследуе­ мой величиной и некоторой другой, ей однородной, вы­ бранной за единицу, носит название и з м е р е н и я .

Трудно в настоящее время переоценить значение из­ мерений для науки и техники в целом. Проведение ка­ кого-либо физического экспериментального исследова­ ния немыслимо без наличия совершенной измерительной методики. Подчас разработка такой методики представ­ ляет собой основную трудность всей работы в целом и может дать сама по себе плодотворные результаты. В ка­ честве примера можно указать на методику эксперимен­ та, разработанную в процессе определения скорости све­ та, которая легла в основу интерференционных методов измерения длины. Ныне эти методы являются одними из наиболее точных и совершенных и широко применяются в измерительной практике-—без всякой связи с их пер­ воначальной целевой установкой.

Что касается роли измерений в технике, то достаточ­ но напомнить, что основной современный технический принцип — взаимозаменяемость деталей — неосуществим без широко развитой и технически совершенной измери­ тельной базы. Все вопросы, связанные с качеством про­ дукции, экономичностью производства, борьбой с браком и т. д., также в конечном счете определяются измерения­ ми. Без преувеличения можно утверждать, что состояние измерительного хозяйства следует рассматривать как основной показатель технической культуры промышлен­ ного предприятия.

Все сказанное, справедливое для любой отрасли нау­ ки и техники, в особой степени справедливо для элек­ тротехники и электрофизики, которые ныне необычайно

широко распространились, захватывая все новые и но­ вые области применения. Поэтому возможность правиль­ ного контроля работы электрических установок весьма существенна.

Помимо этого, надо заметить, что тенденция к элек­ трификации в явной форме и очень широко коснулась также и самой измерительной техники. Благодаря высо­ кой степени совершенства и экспериментальному удоб­ ству электрических методов измерений за последнее вре­ мя все шире распространяются приемы измерений, сво­ дящиеся к преобразованию величины, подлежащей из­ мерению, в функционально связанную с ней электриче­ скую и последующему непосредственному определению именно этой электрической величины. Подобные «мето­ ды электрических измерений иеэлектрических величин» завоевали себе широкое признание.

Сказанного, вероятно, уже достаточно, чтобы опреде­ лить важное значение методов электрических измерений. Однако дальнейшие тенденции научного и технического прогресса еще больше подчеркивают это значение. Мы имеем в виду возрастающую роль автоматизации произ­ водственных процессов, настоятельная необходимость которой в создании материальной базы коммунизма оп­ ределена Программой Коммунистической партии Совет­ ского Союза.

Как известно, любое автоматическое устройство нуж­ дается в первую очередь в получении надежной инфор­ мации о ходе автоматизируемого процесса, что осущест­ вляется при помощи тех или иных чувствительных орга­ нов, т. е. по существу некоторых измерительных уст­ ройств. Поэтому развитие автоматики требует наряду с другими техническими средствами также и широкого развития устройств автоматического контроля!. Прин­ цип же действия любого измерительного автомата осно­ вывается на том или ином, преимущественно на элек­ трическом, методе измерения. Таким образом, развитие и изучение измерительной техники вообще и методов электрических измерений в частности 'ныне является задачей, несомненно, актуальной.

1 Следует заметить, что устройства автоматического контроля имеют и самостоятельное значение для неавтоматизированного про­ изводства.

Однако прежде чем говорить о «методах электриче­ ских измерений», необходимо, естественно, отчетливо сформулировать определение этого понятия и ограничить круг вопросов, о которых будет идти речь в дальнейшем.

Под «методом, измерения» мы будем понимать спо­ соб п о л у ч е н и я интересующего нас результата изме­ рения, т. е. различные приемы, посредством которых осу­ ществляется измерение. Очевидно, что с технической стороны каждый метод будет характеризоваться опреде­ ленной совокупностью физических приборов (основных и вспомогательных) и приемов эксперимента.

Такое общее определение — очень широко: ему отве­ чает любой случай измерения любой величины, в том числе и электрической. Поэтому мы вынуждены как-то ограничить круг своих интересов. В дальнейшем будем рассматривать только мостовой и компенсационный ме­ тоды измерений. Оба эти метода обеспечивают возмож­ ность выполнения прямых или косвенных измерений практически всех электрических величин. Характерным специальным их свойством является то, что они относят­ ся к категории методов уравновешивания, т. е. требуют для получения результатов измерения производства не­ которых вспомогательных действий.

До недавнего времени 'использование мостового и компенсационного методов измерения ограничивалось почти исключительно областью лабораторных исследо­ ваний. Лишь за последние годы эти методы получили более широкое распространение; эго объясняется значи­ тельным развитием техники измерения неэлектрических величин электрическими методами и автоматизации кон­ троля и управления производственными процессами.

В -связи с этим мостовой и компенсационный методы измерения, часто лежащие в основе построения измери­ тельной схемы, начали применяться в цеховых и поле­ вых условиях.

Наглядным примером такого 'применения является область электрической тензометрии с проволочными дат­ чиками сопротивления; сложная аппаратура тензометри­ ческих схем основана на использовании мостового и компенсационного методов измерения.

Требования надежности и удобства в эксплуатации вызывают необходимость непрерывного совершенствова­

ния основной и вспомогательной аппаратуры и широкого применения достаточно точных автоматических прибо­ ров, с помощью которых производятся измерения именно этими 'методами.

В автоматических мостах и компенсаторах (потен­ циометрах) уравновешивание измерительной цепи 'про­ изводится не человеком непосредственно, а при по­ мощи некоторой автоматической системы. Благодаря этому результат измерения может быть непосредствен­ но прочитан по шкале 1 или автоматически записан, или, наконец, передан в качестве информационного сигнала на вход управляющего устройства. В последнем случае, а также при создании более сложных контрольных авто­ матов все чаще применяется счетно-логическая обработ­ ка результатов измерения при помощи вспомогатель­ ных вычислительных узлов.

Таким образом, мы приходим ко вое более и более сложным измерительным устройствам автоматического действия — так называемым измерительным информаци­ онным системам. Под такими системами подразуме­ ваются самоуправляющиеся устройства с автоматиче­ ским многократным (во многих точках) измерением и обработкой информации по некоторому заданному алго­ ритму. Результатом работы такой кибернетической ма­ шины являются специально обработанные данные мно­ жественного контроля (в виде таблиц, кривых, статисти­ ческих характеристик и т. д.) или некоторые комплекс­ ные показатели, полученные в результате обработки первичной информации (например, к. п. д. двигателя, минутная производительность домны или какой-либо химической реакции и т. д.). Измерительные информа­ ционные системы за последние годы находят все более и более широкое применение как в области промышлен­ ного контроля, так и при научных экспериментах; нача­ та разработка их общей теории.

Целесообразность и перспективность подобной кибер­ нетизации измерений несомненны хотя бы с двух точек

1 Появление и распространение подобных автоматических при­ боров привели к тому, что существующее понятие «прибор с непо­ средственным отсчетом» в противоположность приборам сравнения («с наводкой») стало недостаточно четким и, видимо, нуждается в уточнении.

зрения: облегчения труда человека и улучшения резуль­ татов самого измерения.

Действительно, при измерениях от человека практи­ чески не требуется заметного физического труда (если не считать вспомогательных операций, например пере­ носку контролируемых деталей и т. п.). Труд измерителя прежде всего— труд умственный, хотя в зависимости от обстоятельств — разной степени интеллектуальности.

Следует подчеркнуть, что часто этот труд весьма уто­ мителен; действия контролера-браковщика в силу своего однообразия могут быть более изнурительны, нежели производство каких-либо гораздо более сложных, но зато более «интересных» и разнообразных работ. Следова­ тельно, автоматизация измерений — одни из аспектов общей проблемы автоматизации умственного труда вооб­ ще, которой ныне придается большое значение. Недаром в Программе КПСС специально подчеркивается необ­ ходимость развития теории и применения вычислитель­ ных, управляющих и информационных машин.

Однако, помимо свойственного политике Советского государства желания облегчить тяжелый труд человека,

есть еще и чисто практическая необходимость в такой автоматизации. Мы имеем в виду ограниченность физи­ ческих возможностей человека, иногда тормозящих даль­ нейший прогресс. В первую очередь это относится к спо­ собности человека воспринимать и перерабатывать ин­ формацию, в том числе и измерительную. Известно, что информационная пропускная способность нервной систе­ мы человека достаточно ограничена, хотя и может быть несколько повышена специальной тренировкой. Любые автоматы превосходят возможности человека в быстро­ действии получения и переработки информации, хотя, естественно, не обладают 'свойственной человеку гиб­ костью, приспособляемостью к изменению условий и надежностью восприятия. Существенно и то, что ма­ шина не утомляется, может работать в условиях, вред­ ных дл«я человека, и не реагирует на многие случайные, не относящиеся к ее программе обстоятельства (напри­ мер, не «пугается» при неожиданных громких звуках, вспышках и т. д.). Поэтому замена человека автоматом во многих ответственных и сложных случаях измеритель­ ной практики не только целесообразна, но и необходима.