книги / Приборы и методы измерения электрических величин.-1
.pdfЭ. Г, Атамалян
Приборы и методы измерения
электрических
величин
Допущено Министерством высшего п среднего
специального образования СССР
в качестве учебного пособия для студентов высших технических
учебных заведении
Москва «Высшая школа»
1982
ББК 31.221 А92
УДК 621.317 (075)
Р е ц е н з е н т ы — кафедра электротехники Московского института стали и сплавов и д-р техн, наук, проф. М. П. Гришин,
Атамалян Э. Г«
А92 Приборы и методы измерения электрических величин: Учеб, пособие. — М.: Высш. школа, 1982. 223 с., ил.
50к.
Впособии освещены основные разделы метрологии — исходные положе ния теории измерения, анализ и оценка погрешностей измерения, обработка результатов измерения, методы и средства измерений электрических величин,
вопросы автоматизации процесса измерений, перспективы применения микропроцессов в измерительной технике, информационных измерительных систе мах; рассмотрены принципы построения современных влектронных и элект роизмерительных приборов; наложены методы измерения параметров элект рических сигналов, цепей с сосредоточенными постоянными, диодов, транзи сторов, цифровых, аналоговых интегральных схем.
Предназначено для студентов вузов, обучающихся по специальностям «Автоматика и электроника», «Автоматизированные системы управления», «Электронные вычислительные машины», «Микросхемотехника». Может быть полезно инженерно-техническим работникам.
Б Б К 31.221
6П 2.1.083
© Издательство «Высшая школа», 1982
«Наука начинается с тех пор, как начинают измерять».
Д. И. Менделеев
ПРЕДИСЛОВИЕ
Впособии сделана попытка так изложить материал, чтобы сту денты, изучив курсы «Электрические измерения», «Электрорадиоиз мерения», «Методы и средства измерения электрических величин», умели понимать принципы построения основных современных элект ронных и электроизмерительных приборов, области их применения, правильно выбирать методы измерения, анализировать погрешности результатов измерения, творчески применять знания по метроло гическим основам измерения в процессе обучения, во время лабо раторных занятий, в дипломных и исследовательских работах.
Впособии большое внимание уделяется современным универ сальным осциллографам, цифровым приборам, существенно рас ширяющим возможности измерений. Наряду с традиционными раз делами курса по методам измерения тока, напряжения, параметров электрического сигнала, параметров компонентов и цепей изла гаются методы измерения параметров и характеристик полупро водниковых приборов, цифровых, аналоговых интегральных схем;
освещаются перспективы измерений, применения микропроцессо ров в измерительной технике.
Автор выражает искреннюю благодарность д-ру техн. наук М. П. Гришину, коллективу кафедры электротехники Московского института стали и сплавов, возглавляемой проф. Г. В. Алексенко, сотрудникам кафедры доц. А. Н. Душину и А. А. Пименову за труд по рецензированию рукописи.
Все пожелания просим направлять по адресу; Москва, Неглин ная ул., д. 29/14, издательство «Высшая школа».
Автор
Глава 1
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЙ
§ 1.1. Основные определення метрологии
Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обес печения их единства и способах достижения требуемой точности.
Измерение — процесс, заключающийся в определении значения физической величины с помощью специальных технических средств.
Результат измерения — некоторое число принятых для данной физической величины единиц, дающее количественную (измеритель ную) информацию о свойствах измеряемой физической величины.
Основное уравнение измерения имеет следующий вид:
Х = А хХ е, |
(1.1) |
где X — символ, обозначающий физическую величину; Ах — чи словое значение физической величины при выбранной единице Хе
ееизмерения.
Различают истинное и действительное значения физической ве
личины.
Истинное значение физической величины — значение, идеально отражающее в качественном и количественном отношениях соответ ствующее свойство данного физического объекта.
Действительное значение физической величины — значение, опре деленное экспериментально и настолько приближающееся к истин ному значению, что может быть использовано вместо него.
Для осуществления измерений необходимо воспроизвести еди ницу физической величины, сравнить с ней измеряемое значение, зафиксировать результаты сравнения и оценить погрешность изме рения.
Единство измерений — такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Единство измерений позволяет сопоставить результаты измерений, выполненные с ис пользованием различных методов и средств измерений в различных местах и в разное время.
Погрешность измерений — отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.
Точность измерений отражает близость результатов измерений
кистинному значению измеряемой величины.
Кметрологии относят: общую теорию измерений; единицы физи ческих величин и их системы; методы и средства измерений; методы определения точности измерений; основы обеспечения единства измерений и единообразия средств измерений; эталоны и образцо вые средства измерений; методы передачи размеров единиц от эта
лонов или образцовых средств измерений рабочим средствам изме рений.
Метрология является научной основой измерительной техники — всех технических средств, с помощью которых выполняется изме рение, и техники проведения измерений.
Виды средств измерений. Средства измерений — технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные
метрологические свойства, |
т. е. свойства, оказывающие влияние |
на результаты и погрешности измерений. |
|
П о н а з н а ч е н и ю |
средства измерений разделяют на меры, |
измерительные преобразователи, измерительные приборы, уста новки, системы (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Классификация средств измерений
Меры — средства измерений, предназначенные для воспроиз ведения физической величины заданного размера с определенной точностью. Существуют однозначные, многозначные (переменного значения) меры, а также наборы мер и магазины мер.
Измерительные преобразователи — средства измерений, пред назначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обра ботки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателя. Действия измерительных преобразова телей основаны на различных физических явлениях. Измерительные преобразователи осуществляют преобразование любых физических величин в электрические сигналы. В электрических преобразова телях входная X и выходная У величины связаны зависимостью У = / (X). Измерительные преобразователи могут быть энергети ческими (не требуют постороннего источника энергии, исключая воздействие преобразуемой величины) и параметрическими (требуют посторонний источник энергии). Различают преобразователи непре рывной величины в дискретную, первичные, промежуточные, пере дающие, масштабные, выходные, обратные, сравнения, с одной или с несколькими входными величинами, с унифицированным выходным сигналом и др. К измерительным преобразователям могут быть отнесены делители напряжения, тока, добавочные резисторы, шунты, измерительные трансформаторы, выпрямители, усилители и др.
Измерительные приборы — средства измерений, предназначен ные для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для восприятия наблюдателем.
Комплексные измерительные устройства — электрические изме рительные установки и измерительные информационные системы. Измерительные установки — совокупность функционально объеди ненных средств измерений (мер, преобразователей, приборов) и вспомогательных устройств, предназначенная для выработки сиг налов измерительной информации в форме, удобной для восприятия наблюдателем, и расположенная в одном месте. Измерительные информационные системы (ИИС) — совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах упра вления. Измеряемые или контролируемые величины преобразуются
вунифицированные. ИИС бывают измерительные, диагностические
иавтоматического контроля.
По м е т р о л о г и ч е с к и м ф у н к ц и я м средства из мерений делят на образцовые, рабочие и эталоны.
Государственный эталон единицы измерения — комплекс средств измерений, обеспечивающих воспроизведение и (или) хранение единицы измерения с наибольшей достигнутой в метрологии точ ностью с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений.
В настоящее время, для того чтобы многие страны применяли одни и те же единицы физических величин, разработана Междуна родная система единиц (СИ), в соответствии с которой создана и все время совершенствуется национальная система эталонов. Для ряда физических единиц эталоны не создаются (когда нет возмож ности непосредственно сравнивать соответствующие физические величины, когда единицы физической величины воспроизводятся с достаточной точностью на основе простых средств измерений других физических величин). Эталоны электрических единиц — ампер, вольт, ом, генри и фарада.
Поверка средств измерений — определение метрологическим ор ганом погрешности средств измерений и установление его пригод ности к применению. Помимо первичных эталонов имеются эталоны вторичные, третичные, рабочие, различающиеся по точности, вос произведению единиц и некоторым другим признакам.
Образцовое средство измерений — мера, измерительный преобра зователь и измерительный прибор, служащие для поверки по ним других средств измерений, и утвержденные в качестве образцовых.
Рабочее средство измерений—средство, применяемое для измере ний в широкой практике и не связанное с передачей размера единиц.
Виды измерений. П о |
с п о с о б у н а х о ж д е н и я ч и |
|
с л о в о г о з н а ч е н и я |
ф и з и ч е с к о й |
в е л и ч и н ы |
измерения подразделяются на прямые, косвенные, совокупные и совместные * (рис. 1.2).
* По физическому смыслу измерения можно было бы разделить на пря мые и косвенные, рассматривая совокупные как обобщение прямых измерений, а совместные — как обобщение косвенных измерений,
б
Рис. 1.2. Вид измерений
Прямые измерения — измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных (например, измерение тока амперметром).
Косвенные измерения — измерения, при которых искомое значе ние физической величины находят на основании известной матема тической зависимости между искомой величиной и величинамиаргументами, получаемыми при прямых измерениях (например, определение значения сопротивления резистора К = Ш1 по изме ренным значениям напряжения II и тока /).
Совместные и совокупные измерения близки по способам нахож дения искомых значений величин, в обоих случаях они находятся решением системы уравнений, коэффициенты в которых и отдель ные члены получены в результате обычно прямых измерений. Отли чие состоит в том, что при совокупных измерениях одновременно измеряются несколько одноименных величин, а при совместных — разноименных. Число уравнений должно быть равно числу подле жащих определению величин (например, измерение, при котором массы отдельных гирь набора находят по известной массе одной из них и по результатам сравнения масс различных сочетаний гирь данного набора, является совокупным измерением; измерение, при котором сопротивление резистора Н20 ПРИ температуре +20 °С и его температурные коэффициенты а, § находят по данным прямых
измерений сопротивления |
и температуры I, |
выполненных |
при |
разных температурах, является совместным |
измерением. |
К/ = |
|
= Я20 [1 + а (^ - 2°) + |
Р (* “ 20)2]). |
|
|
Обыкновенные измерения — измерения, выполняемые с однократ ными наблюдениями.
Статистические измерения — измерения с многократными на блюдениями.
П о х а р а к т е р у з а в и с и м о с т и и з м е р я е м о й
ве л и ч и н ы от времени измерения разделяются на статические, при которых измеряемая величина остается по
стоянной во времени в процессе измерения, динамические, при которых измеряемая величина изменяется
в процессе измерения и является непостоянной во времени.
П о у с л о в и я м , о п р е д е л я ю щ и м т о ч н о с т ь р е з у л ь т а т о в , измерения делятся на измерения
максимально возможной точности, достижимой при существую щем уровне техники;
контрольно-поверочные, погрешность которых не должна превы шать некоторое заданное значение;
технические, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений.
Методы измерения. Метод измерения — совокупность приемов использования физических явлений, на которых основаны измере ния, принципов сравнения измеряемой величины с мерой и средств измерений. Различают методы измерения непосредственной оценки и сравнения с мерой (рис. 1.3).
Рис. 1.3, Методы измерений
М е т о д н е п о с р е д с т в е н н о й о ц е н к и ( о т с ч е т а ) . Этот метод заключается в непосредственном' определении значения физической величины по отсчетному устройству измерительного прибора непосредственной оценки, заранее градуированного в еди ницах измеряемой физической величины. Поскольку данный метод прост, он и наиболее распространен, хотя точность его невысока.
М е т о д с р а в н е н и я с м е р о й . Данный метод заклю чается в определении значения физической величины сравнением измеряемой величины непосредственно с величиной, воспроизводи мой мерой, в процессе каждого измерения. Этот метод по сравнению с методом непосредственной оценки более точен, но несколько сло жен. Метод сравнения с мерой может быть дифференциальный, нулевой, противопоставления, замещения, совпадения.
Дифференциальный (разностный) метод — метод, в котором на измерительный прибор воздействует разность АХ между измеряе мой величиной X и известной величиной Х0, воспроизводимой ме рой. Для данного метода характерно наличие одного источника энергии и однозначной меры. Точность метода возрастает с умень-
ь
шением разности между сравниваемыми величинами. Метод при меняется при измерении параметров цепей (сопротивления, индук тивности, взаимоиндуктивности, емкости и др.)\
Нулевой метод — частный случай дифференциального метода, при котором результирующий эффект воздействия измеряемой ве личины и известной величины, воспроизводимой мерой, на прибор сравнения доводят до нуля.
Метод противопоставления — метод, в котором измеряемая ве личина и известная величина, воспроизводимая мерой, одновре менно воздействуют на прибор сравнения, с помощью показаний которого устанавливается соотношение между ними. Метод приме няют при измерении ЭДС, напряжения, тока.
Метод замещения — метод, при котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой, равной по значению замещенной. Метод точен и его чаще всего применяют при измерении параметров цепей в сочетании с явлением резонанса на высоких частотах.
Метод совпадений — метод, при котором разность между изме ряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов. Метод применяют при измерении частоты.
Рассмотренные выше методы определяют принципы построения измерительных приборов.
Методика измерений — детально намеченный порядок процесса измерений, регламентирующий методы, средства, алгоритмы выпол нения измерений, которые в определенных (нормированных) усло виях обеспечивают измерения с заданной точностью.
Алгоритм измерения — точное предписание о выполнении в опре деленном порядке совокупности операций, обеспечивающих изме рение значения физической величины.
§ 1.2. Электрический сигнал и его параметры
Основная цель измерений — количественная оценка значения физической величины в принятых для нее единицах.
Сигнал измерительной информации — сигнал, функционально связанный с измеряемой физической величиной и несущий инфор мацию о ее значении.
Характерными особенностями электрорадиоизмерений являются многообразие измеряемых величин, большие пределы измеряемых значений (от долей микровольта до десятков и сотен киловольт), широкий диапазон частот от постоянного тока до десятков гигагерц, разнообразие форм.
Перед началом измерения необходимо классифицировать пара метры или характеристики измеряемой величины, приблизительно определить порядок ее значения, характер изменения, мощность
объекта |
измерения и др. |
П о |
х а р а к т е р у и з м е н е н и я электрический сигнал |
может быть детерминированным и случайным,
Детерминированный сигнал — сигнал, заданный в виде некото рой определенной функции времени, т. е. сигнал, мгновенные зна чения которого в любой момент времени известны. Этот сигнал может быть непрерывным по значению (в заданном диапазоне изме нения имеет бесконечное число значений) и дискретным (в заданном диапазоне изменения имеет ограниченное число значений).
Непрерывный по значению сигнал может изменяться во времени либо непрерывно, либо дискретно. Детерминированные сигналы,
|
изменяющиеся |
во |
времени не |
|||
|
прерывно, делят |
на периодиче |
||||
|
ские и непериодические. Перио |
|||||
|
дические детерминированные сиг |
|||||
|
налы — сигналы, для |
которых |
||||
|
выполняется |
условие |
/ (I) = |
|||
|
= / (< + |
Т), |
т. |
е. |
мгновенные |
|
|
значения |
сигнала |
повторяются |
|||
|
через равные промежутки време |
|||||
|
ни Т. |
|
|
|
|
|
Рис. 1.4. Временные диаграммы не- |
На рис. 1.4 |
представлен не |
||||
синусоидального сигнала |
синусоидальный |
разнополярный |
||||
жение (ток), характеристиками |
периодический сигнал — напря |
|||||
которого являются: и (I)— значе |
||||||
ние сигнала в заданный момент времени; (/^ и 1/й — пиковые зна чения сигнала — наибольшее мгновенное значение положительной полуволны и наименьшее мгновенное значение отрицательной по луволны сигнала (1/м — амплитудное значение для гармонических
сигналов); 1/р — сумма модулей пиковых значений |
и (/„• |
Средним значением сигнала за период является его постоянная |
|
составляющая: |
|
т |
|
С/ср = ± ^ « (* )# = */0. |
(1.2) |
о |
|
Переменной составляющей сигнала за период будет разность между мгновенным значением сигнала и его постоянной составляю щей:
М 0 = и ( 0 - ^ о . |
(1.3) |
Среднееыпрямленным значением сигнала за период является сред нее значение модуля сигнала:
т |
|
*/с„в = -?г $ 1 « ( 0 | Л |
(1-4) |
6 |
|
(вводится для сигналов, симметричных относительно оси времени).
Среднеквадратичное значение сигнала за период (время измере
ния) |
___________ |
|
|
и - у ± \ и > ф < 1 1 . |
(1-5) |