Характерной чертой развития электроизмерительной техники на современном этапе является улучшение технико-экономических характеристик средств измерений. В «Основных направлениях эко­ номического и социального развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года» отмечается, что необходимо « ...опережающими темпами осуществлять изготовление высоконадежных систем про­ мышленной автоматики на базе электроники, прежде всего для уп­ равления технологическими процессами».

Характерная черта автоматизации в двенадцатой пятилетке — быстрое развитие робототехники, роторных и роторно-конвейерных линий, гибких автоматизированных производств.

Особое значение придается модернизации машиностроения, тех­ нический уровень которого в первую очередь зависит от развития станкостроения, приборостроения, электроники и электротехники.. В годы пятилетки предусмотрено ускоренное развитие новых поко­ лений ЭВМ всех классов — от суперЭВМ до ЭВМ персонального назначения, систем с числовым программным управлением и средств диагностики машин и оборудования на элементной базе повышенной надежности и быстродействия.

Задачи, стоящие перед машиностроением, потребовали коренного улучшения основных характеристик средств измерения: точности, быстродействия, надежности, а также повышения уровня автомати­ зации процесса измерения. Все это стало возможным благодаря активному использованию в приборостроении современной элемент­ ной базы, использованию новейших достижений в области микро- и оптоэлектроники, лазерной и микропроцессорной техники.

Указанные тенденции нашли отражение в предлагаемой книге, которая отличается от аналогичных изданий тем, что в ней приво­ дятся сведения о современной нормативной документации в метро­ логии и приборостроении, описываются новые принципы построе­ ния средств измерений на основе современной микроэлектронной ба­ зы, в том числе микропроцессоров.

В книге принята систематизация материала, удобная для его восприятия и усвоения читателем: вначале излагаются общие вопро­ сы метрологии как науки об измерениях, затем — принципы построе­ ния аналоговых, цифровых и микропроцессорных приборов и, наконец, — основные методы и схемы измерения электрических ве­ личин.

Измерения являются одним из путей познания природы, основан­ ном на теоретических знаниях практической деятельности человека; они количественно характеризуют окружающий материальный мир, раскрывая действующие в природе закономерности.

Измерительное дело включает в себя три основных направления: приборостроение, метрологическую службу и эксплуатацию изме­ рительного хозяйства.

В 1893 г. под руководством Д. И. Менделеева в России была ор­ ганизована Главная палата мер и весов, ставшая центральным науч­ ным метрологическим учреждением страны.

В 1938 г. Постановлением Совнаркома СССР был образован Коми­ тет по делам мер и измерительных приборов при СНК СССР. Комитет получил возможность влиять на развитие измерительного приборо­ строения, на выбор типов осваиваемых в производстве измеритель­ ных приборов и др. С 1954 г. этот Комитет начал именоваться Коми­ тетом стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Мини­ стров СССР, а с 1970 г. — Государственным комитетом стандартов Совета Министров СССР (Госстандарт СССР).

Стимулом ускоренного развития измерительной техники в 50—

традиционных средств измерений, созданы новые, принцип действия которых основан на использовании таких физических явлений, как фотоэффект, свойства полупроводников и др. Получили развитие цифровые электроизмерительные приборы. Разработаны инфор­ мационно-измерительные системы, в состав которых, наряду с автоматическими устройствами преобразования измерительной ин­ формации, входят вычислительные устройства для ее обработки, созданы измерительно-вычислительные комплексы. Особенно важ­ ная роль в измерительной технике отводится электрическим из­ мерениям. В настоящее время центром метрологических научноисследовательских работ является Международное бюро мер и ве­ сов (МБМВ), функционирующее с 1875 г. и объединяющее свыше 40 стран. Основной задачей МБМВ является хранение и поддержа­ ние международных эталонов единиц различных физических вели­ чин и сличение с ними национальных эталонов.

Чем интенсивней развивалась измерительная техника, тем боль­ шее значение приобретала метрология — наука об измерениях, соз-

дающая и совершенствующая теоретические основы измерений, обоб­ щающая практический опыт в области измерений и направляющая развитие измерительной техники. Метрология рассматривает об­ щие вопросы измерения: единицы физических величин и их системы, эталоны и способы передачи размеров единиц от них к рабочим сред­ ствам измерений, методы и средства измерений, общие методы обра­ ботки результатов измерений и оценки их точности и достоверности, основы обеспечения единства измерений.

Прогрессирующему развитию метрологической службы в нашей стране послужили качественные и количественные изменения в об­ ласти приборостроения, вычислительной техники и автоматизиро­ ванных систем управления. Рост парка измерительных приборов и расширение сферы их обслуживания привели к необходимости рег­ ламентирования многих методических положений и систем управле­ ния. Стандартизация документации и унификация применяемой из­ мерительной техники снижают затраты на ее производство и обслу­ живание, позволяют внедрить САПР для проектирования в сфере контроля, координации, организации и прогнозирования работ мет­ рологической службы.

В результате внедрения автоматизированной системы управле­ ния технологическими процессами в различные отрасли народного хозяйства на повестке дня встал вопрос об унификации и агрегати­ ровании средств измерения и совершенствовании государственной метрологической службы. Для этого была разработана Государст­ венная система промышленных приборов и средств автоматизации и Государственная система обеспечения единства измерений.

Существенные изменения в структуре ГСП происходят в резуль­ тате широкого внедрения микропроцессорной техники. Применение микропроцессоров в измерительной технике позволяет осуществ­ лять, например, такие операции, как автоматическая калибровка, коррекция систематических погрешностей, диагностирование неис­ правностей, обработка данных, измерение вида функций преобразо­ вания прибора и др.

Внедрение микропроцессоров стало возможным благодаря дости­ жениям в области технологии изготовления больших интегральных схем (БИС). На базе БИС созданы различные средства измерения с цифровой индикацией, отличающиеся низкой стоимостью, малыми размерами, высокой надежностью и ограниченным потреблением энергии. Осуществление автоматизации также способствовало раз­ витию и совершенствованию метрологии, так как при этом повыси­ лись требования к точности, достоверности и сопоставимости резуль­ татов измерений.

Глава 1

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ ИЗМЕРЕНИЙ И МЕТРОЛОГИИ

1.1. ОСНОВНЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Основные термины метрологии определены ГОСТ 16263—70. Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспе­

чения их единства и способах достижения требуемой точности. Измерение — нахождение значения физической величины опыт­

ным путем с помощью специальных технических средств.

Единство измерений — такое их состояние, при котором резуль­ таты выражены в узаконенных единицах, а погрешности известны с заданной вероятностью.

Физическая величина — общее в качественном отношении свойст­ во физических объектов, Н9 в количественном отношении индивиду­ альное для каждого объекта.

По способу получения численного значения измеряемой физи­ ческой величины все измерения делят на четыре вида: прямые, кос­ венные, совокупные и совместные.

Прямые измерения такие, при которых значение измеряемой ве­ личины находят непосредственно из опытных данных — сравнением ее размера с размером, воспроизводимым мерой, или в виде показа­ ния измерительного прибора (измерение длины линейкой, темпера­ туры — термометром, напряжения — вольтметром). Мера — сред­ ство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера (гиря, метр, токовые весы).

Косвенные измерения — это те, при которых значение измеряе­ мой величины находят по промежуточным результатам прямых из­ мерений других величин, связанных с измеряемой известной зависи­ мостью. Например, мощность Р — IU можно найти по результатам измерений напряжения 1) вольтметром и силы тока / амперметром.

Совокупные измерения проводят для нескольких одноименных физических величин, значения которых находят решением системы уравнений. Например, нахождение токов в сложной электрической цепи методом контурных токов.

Совместные измерения выполняют для двух и более неодноимен­ ных физических величин, их значения находят решением одного уравнения или системы уравнений. Например, температурный коэф­ фициент сопротивления проводника а т можно определить по резуль­ татам прямых измерений сопротивления R проводника и его темпе­ ратуры /, т. е. по выражению R — RQ(1 + а т t), где R0 — сопротив­ ление проводника при 0 °С.

Методы измерений — совокупность приемов использования средств и принципов измерений. При измерениях электрических величин применяются методы непосредственной оценки и сравне­ ния.

Метод непосредственной оценки основан на использовании изме­ рительных приборов, шкалы которых проградуированы в единицах измеряемой величины. При этом получают значение измеряемой ве­ личины непосредственно, без каких-либо дополнительных действий со стороны лица, проводящего измерение, и без вычислений, кроме умножения его показаний на постоянную измерительного прибора или цену деления.

Из методов сравнения в электрических измерениях чаще других используются: методы противопоставления, дифференциальный и нулевой методы.

Метод противопоставления состоит в том, что на выход сравни­ вающего устройства (компаратора) одновременно подаются сиг­ налы измеряемой величины и одноименной ей величины, размер ко­ торой воспроизводится мерой, а соотношение между ними определя­ ют по выходному сигналу сравнивающего устройства (например, из­ мерение напряжения постоянного тока с помощью компенсатора путем сравнения с ЭДС нормального элемента).

Дифференциальный метод измерений заключается в том, что на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и величины, размер которой воспроизводится мерой.

Нулевой метод измерений состоит в том, что результат измере­ ния, равный разности между измеряемой величиной и величиной, размер которой воспроизводится мерой, доводят до нуля.

Для измерения или преобразования физических величин любым из рассмотренных методов служат средства измерения, к которым относятся измерительные меры и набор мер, измерительные прибо­ ры и измерительные преобразователи.

Средствами измерений называют технические средства, предназ­ наченные для использования при измерениях и имеющие нормиро­ ванные метрологические характеристики.

Метрологические характеристики средств измерений — харак­ теристики, от которых зависит точность результатов измерений, вы­ полняемых с помощью этих средств.

Набор мер — комплект конструктивно обособленных мер, при­ меняемых в различных сочетаниях (магазин резистЬров, магазин емкостей, и т. п.).

Измерительным прибором называют средство измерений, пред­ назначенное для выработки сигнала в форме, доступной для непо­ средственного восприятия измерительной информации наблюдате­ лем, благодаря наличию отсчетного устройства (вольтметр, ампер­ метр).

Измерительный преобразователь — средство измерений, пред­ назначенное для преобразования входного измерительного сигнала

в выходной сигнал, удобный для дальнейшего преобразования, пе­ редачи, обработки и хранения измерительной информации, но не под­ дающийся непосредственному восприятию наблюдателем (измери­ тельный трансформатор, калиброванный шунт и т. п.).

Измерительная система — совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи.

Параметр измерительного сигнала, содержащий измерительную информацию, называется информативным параметром.

Эталон — средство измерений, обеспечивающее воспроизведе­ ние и (или) хранение единицы с целью передачи ее размера нижестоя­ щим по поверочной таблице средствам измерений и официально ут­ вержденное в качестве эталона.

О . ЕДИНИЦЫ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Метрология базируется на единицах измерений, позволяющих осуществлять относительную оценку значений физических парамет­ ров. Физическая величина, которой по определению присвоено чис­ ловое значение, равное единице, представляется как единица физи­ ческой величины.

Первоначально единицы физических величин выбирались произ­ вольно, без каких-либо взаимосвязей. Значительное число произ­ вольных единиц одной и той же величины затрудняло сравнение ре­ зультатов измерений. В каждой стране создавались свои единицы. По мере развития техники, а также международных связей трудно­ сти использования результатов измерений возрастали и тормозили дальнейший научно-технический прогресс, поэтому было принято решение о создании системы новых мер, «основанных на неизменном прототипе, взятом из природы, с тем, чтобы ее могли принять все нации».

Продолжительное время применяли системы единиц, основанные на трех единицах (МКС, СГС, МКГСС). В 1960 г. конференция по ме­ рам и весам приняла новую систему — Международную систему единиц СИ (S1) — со следующими основными единицами: метр (м)— единица длины, килограмм (кг) — единица массы, ампер (А) — единица силы электрического тока, секунда (с) — единица времени, кельвин (К) — единица термодинамической температуры, кандела (кд) — единица силы света, моль (моль) — единица количества веще­ ства (с 1971 г.). В настоящее время СИ в СССР признана обязатель­ ной.

Перечисленные семь единиц называют основными. Единицы, об­ разующиеся по законам, устанавливающим связь между физиче­ скими величинами, называют производными. При образовании про­ изводных единиц СИ, как правило, полученная единица имеет на­ именование, состоящее из наименований соответствующих основных

V = sit,

где s — путь, м; t — время, с.

В некоторых случаях для выражения производных единиц СИ приняты собственные наименования, которые даны по именам ученых (Дж — джоуль; Вт — ватт).

Совокупность основных и производных единиц образует систему единиц.

Единицы, которые не относятся ни к основным, ни к производным, называются дополнительными (радиан, стерадиан).

Единицы, которые не входят ни в одну из систем, называются внесистемными (например, литр — л, тонна — т, вольт-ампер — В-А).

Размеры единиц СИ для многих случаев практики или слишком велики, или очень малы. Поэтому в таких случаях пользуются крат­ ными единицами — единицами, которые в целое число раз больше системной или внесистемной, либо дольными единицами — едини­ цами, которые в целое число раз меньше системной или внесистем­ ной.

Для образования наименований кратных и дольных единиц ис­ пользуют соответствующие приставки (мега, кило, дека и др. — для кратных единиц; деци, санти, милли, микро — для дольных).

Обозначение приставки пишется слитно с обозначением основной единицы. Присоединение двух и более приставок не допускается.

Для обозначения единицы после числового выражения применя­ ют сокращенное ее обозначение (м, кг, м/с, кг/м3). Единицу величи­

уль — Дж). В обозначениях единиц точка как знак сокращения не применяется.

Единицы проставляют только после числовых значений в одну строку с ними и без переноса в следующую строку (например: 5 кВт; 20 %; 18 К, но 25°30').

Буквенные обозначения единиц, входящих в произведение, сле­ дует отделять точками на средней линии (знак умножения): Н*м, В-А; Ом-м.

Числовые значения величин с предельными отклонениями сле­ дует заключать в скобки, а после них с пробелом проставлять обозна­ чение единицы отдельно после числового значения величины и пре­ дельного отклонения, например (40±2) Ом.

В обозначениях отношений единиц знаком деления может слу­ жить только одна косая или .горизонтальная черта: Вт/(м2- К)

или (Вт-м-2- К-1).

В табл. 1 прил. приведены основные и производные единицы СИ электрических и магнитных величин.

1.3.МЕТРОЛОГИЧЕСКИЙ НАДЗОР

ИМЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ СЛУЖБА СССР

Система метрологического надзора нашей страны включает в се­ бя комплекс правил, положений и требований технического, эконо­ мического и правового характера, определяющих организацию и по­ рядок проведения работ по поверке средств измерений, метрологи­ ческой ревизии и экспертизе.

Поверка — комплекс операций, производимых с целью установ­ ления пригодности средств измерений к применению.

Предусмотрены первичная, периодическая, внеочередная и инс­ пекционная поверки. Первичная поверка средств измерений прово­ дится при их выпуске 6 обращение с производства и из ремонта. Периодической поверке подлежат средства измерений, находящиеся в эксплуатации и хранении.

Внеочередная поверка проводится: когда повреждены поверительное клеймо, пломба и утрачены документы о периодиче­ ской поверке; когда истекала половина гарантийного срока на сред­ ства измерений, служащие комплектующими изделиями, а также во всех случаях, когда необходимо удостовериться в исправности средств измерений.

Метрологическая ревизия средств измерений проводится на пред­ приятиях, осуществляющих их изготовление, ремонт, эксплуата­ цию, хранение и продажу. Цель ревизии — совершенствование пар­ ка средств измерений и повышение эффективности метрологического обеспечения производства. При возникновении спорных вопросов по метрологическим свойствам, методам и средствам поверки, ис­ правности и пригодности средств измерений к применению проводит­ ся метрологическая экспертиза.

Метрологический надзор осуществляется единой метрологиче­ ской службой страны, руководимой Госстандартом СССР и состоя­ щей из государственной метрологической службы Госстандарта

СССР и ведомственных метрологических служб.

Поверки могут проводить только органы метрологической служ­ бы, имеющие соответствующее разрешение, которое выдается им при наличии средств, кадров, нормативных документов и помещений.

Государственную поверку имеют право выполнять лица, имеющие квалификацию государственного поверителя.

Основные операции поверки сводятся к определению погрешно­ стей средств измерений и вариации показаний с помощью образ­ цовых средств измерений.

Обычно поверку выполняют одним из следующих способов: не­ посредственным сличением, компарированием, поверкой по образцо­ вой мере, измерением поверяемым средством измерений величины, воспроизводимой мерой.

Перечень характеристик и признаков, контролируемых при по­ верке, регламентируется нормативно-техническими документами на

Ю

средства измерений, в частности техническими условиями. Для большинства средств измерений погрешности и вариации показаний, например, определяются при нормальных условиях их работы.

Поверка путем непосредственного сличения показаний заключа­ ется в одновременном измерении одной и той же величины поверяе­ мым и образцовым средством измерений.

При поверке компарированием показания меры сличаются с по­ казаниями образцовых мер при помощи измерительного прибора сравнения.

Процесс поверки средств измерений по образцовым мерам сво­ дится к измерению величины, воспроизводимому образцовой мерой (например, указатель омметра устанавливают на оцифрованную от­ метку шкалы, используя набор резисторов на магазине сопротивле­ ний, к зажимам которого подключен омметр).

Результаты поверки оформляются протоколом, вариант образ­ ца которого приведен ниже.

Протокол поверки является основным юридическим докумен­ том.

На государственную метрологическую службу возложены функ­ ции обеспечения единства мер и измерений в нашей стране, а также надзора за повсеместным проведением мероприятий, необходимых для поддержания полной готовности средств измерений, находящих­ ся в пользовании, и поверки. Организации этой службы (метроло­ гические институты и лаборатории) осуществляют воспроизведение и передачу размеров единиц измерений, предусмотренных в верхней части схемы передачи размера единиц, обеспечивают связь между всеми рабочими средствами измерений с мерами высшей точности — государственными эталонами единиц измерения и международными эталонами.

Ведомственная метрологическая служба ограничена в своей де­ ятельности рамками предприятия или группы предприятий (отрас­ ли) и призвана выполнять поверку широкого круга рабочих средств измерений, причем более оперативно, чем государственные повероч­ ные органы, и настолько часто, насколько это требуется по услови­ ям применения средств измерений. В состав этой службы входят: отдел метрологии, головная и базовая организации метрологической службы, отделы главных метрологов предприятий.

В ряде случаев отдел главного метролога не организуется, а все необходимые функции по поверке и контролю выполняет централь­ ная лаборатория измерительной техники. Важно, чтобы руководи­ тель метрологической службы на предприятии имел право запретить выпуск или эксплуатацию средств измерений, если нарушаются тре­ бования стандартов и единство измерений.

При государственных поверках выдается свидетельство или на средство измерения накладывается государственное поверительное клеймо. Органы ведомственного надзора при поверке выдают атте-

принадлежащего _________________________ __________________

(предприятие, цех или участок)

Образцовые приборы:

тип ________________ , № ________ , верхний предел измерений

класс точности

Прибор годен, забракован (указать причину)

Подпись лица, производившего поверку

стат либо ограничиваются наложением оттиска клейма поверочной организации.

Периодичность обязательной государственной поверки устанав­ ливается Госстандартом СССР (обычно через один — три года). Пе­ риодичность ведомственных поверок устанавливается внутриведом­ ственными (внутризаводскими и т. п.) документами.

Государственной или ведомственной поверке не подлежат инди­ каторы, предназначенные для наблюдений за изменением физиче­ ских величин без оценки их значений с нормированной точностью,

атакже учебные средства измерений; на них наносят обозначения

И(индикатор) и У (учебный).