книги / Электрические измерения электрических и неэлектрических величин

В «Основных направлениях экономического и социального разви­ тия СССР на 1981—1985 годы и на период до 1990 года» большое вни­ мание уделено дальнейшему повышению технического уровня прибо­ ров и средств автоматизации на основе новейших достижений микро-, оптоэлектроники и лазерной техники, расширению производства при­ боров и датчиков систем комплексной автоматизации сложных техно­ логических процессов, а также приборов и измерительных устройств контроля за расходованием топливно-энергетических ресурсов, конт­ роля за состоянием окружающей среды, организации производства измерительно-информационной техники к автоматизированным сис­ темам управления энергопотреблением.

И з м е р е н и е — основной путь получения достоверной инфор­ мации о свойствах объектов окружающего материального мира, т. е. о различных физических величинах — механических, тепловых, элект­ рических, оптических и др. Отрасль техники, связанная с проектиро­ ванием, изготовлением и использованием средств измерений (техни­ ческих средств, с помощью которых осуществляются измерения),

ниями механических и других неэлектрических величин с помощью механических средств измерений. Эти средства просты, достаточно точны и надежны, но из-за значительной инерционности они непри­ годны для измерения быстроизменяющихся величин, а из-за сложности усиления мощности механическими методами обладают низкой чувстви­ тельностью. От таких недостатков свободны пневматические, опти­ ческие и электрические средства измерений.

'Особенно важной является роль электрических измерений. Они начали развиваться сравнительно недавно, по мере развития.учения об электричестве и электромагнетизме, но благодаря ряду достоинств получили столь широкое распространение, что электроизмерительная техника стала доминирующей. К основным достоинствам электриче­ ских измерений относятся:

универсальность, заключающаяся в возможности измерений не только электрических, но и неэлектрических величин после их пред­ варительного преобразования в электрические величины;

дистанционность, которая определяется возможностью измерения параметров исследуемых объектов при практически любом расстоя­ нии от них благодаря возможности передачи электрических сигналов по проводам или излучением электромагнитных волн;

простота автоматизации измерительных процессов, обусловлен­ ная свойством электрических цепей выполнять логические операции; пригодность к измерению быстроизменяющихся величин благодаря

наличию малоинерционных электроизмерительных средств; возможность обеспечения высокой точности и чувствительности

электрических средств измерений, обусловленная гибкостью их струк­ тур и использованием усиления электрических сигналов.

Впервые электроизмерительный прибор — прототип электрометра, предназначенный для изучения атмосферного электричества, построил

в1743 г. русский акад. Г. В. Рихман.

Впервой половине XIX ст., когда уже были заложены основы электродинамики (законы Био — Савара и Фарадея, принцип Ленца), построены гальванометры и некоторые другие приборы, изобретены

Электроизмерительная техника как отрасль начала формироваться во второй половине XIX ст., когда развитие телеграфии и телефонии, с одной стороны, и промышленное производство электрической энер­ гии, с другой, обусловили промышленное производство электроизме­ рительных приборов. Приборы были необходимы для измерения не только электрических, но и магнитных величин, в частности для иссле­

вости ферромагнетиков от напряженности магнитного поля (1871 г.), создав этим основы правильного подхода к расчету магнитных цепей. Этот метод используется в магнитных измерениях и в настоящее время.

В развитии электроизмерительной техники конца второй половины XIX и начала XX ст. значительные заслуги принадлежат М. О. Доли-

полем (ваттметр, фазометр) и ферродинамический ваттметр. К сожа­ лению, его патенты использовала германская фирма АЕО, так как в дореволюционной России фактически не было своей электроприборо­ строительной промышленности. Те предприятия, которые наряду с другими электротехническими изделиями выпускали некоторые изме­ рительные приборы, принадлежали иностранным фирмам и исполь­ зовали импортные полуфабрикаты.

После Великой Октябрьской социалистической революции электро­ приборостроительную промышленность в нашей стране надо было создавать заново. За годы довоенных пятилеток введен в действие ряд приборостроительных заводов, подготовлены высококвалифици­ рованные инженерно-технические кадры. С 1927 г. начал выпускать электроизмерительные приборы новый завод «Электроприбор». В 1930 г. была организована Отдельная лаборатория измерений (ОЛИЗ), сотрудники которой, особенно Н. Н. Пономарев, внесли большой вклад в область расчета и конструирования электроизмерительных приборов. К началу войны отечественная электроприборостроительная промышленность уже выпускала средства измерений разнообразной

номенклатуры и занимала значительное место в народном хозяйстве страны.

В годы войны, невзирая на трудности, связанные с перебазирова­ нием ряда заводов в восточные районы страны, приборостроители с честью справились с ответственными задачами, связанными с нуж­ дами фронта. В это время значительно увеличился выпуск, усовершен­ ствовалась технология и повысилась надежность приборов.

Электроизмерительная техника особенно быстрыми темпами развивалась в послевоенные годы. Стимулом невиданных темпов ее развития была необходимость автоматизации производственных про­ цессов. Электроизмерительные средства становятся неотъемлемой со­ ставной частью каждой автоматизированной системы управления тех­ нологическими процессами.

В связи с автоматизацией производства резко возрастает выпуск средств измерений, создаются их типы на новых принципах действия, используются новые физические эффекты, полупроводниковые эле­ менты и др. Повышаются метрологические и эксплуатационные харак­ теристики средств измерений — точность, чувствительность, быстро­ действие, помехоустойчивость, надежность.

Центром внимания становится автоматизация процессов измере­ ния. Совершенствуются существующие аналоговые автоматические измерительные приборы, создаются их новые конструкции. В 50-х годах начинают развиваться цифровые электроизмерительные прибо­ ры, которые наиболее пригодны для автоматизации процессов изме­ рения.

Средства измерений необходимы для одновременного сбора и обра­ ботки измерительной информации о значениях изменяющихся во времени и пространстве физических величин, характеризующих ход технологических процессов и состояние управляемых объектов. С этой целью разрабатываются информационно-измерительные системы, в состав которых наряду с автоматическими устройствами преобразова­ ния измерительной информации входят вычислительные устройства для ее обработки, создаются измерительно-вычислительные комп­ лексы.

Ныне значение электроизмерительной техники трудно переоце­ нить. Практически нет такой области науки и техники или отрасли народного хозяйства, которая могла бы обойтись без измерений. По мере развития науки и техники роль измерений непрестанно уве­ личивается.

Настоящая книга, написанная как учебник для студентов вузов электротехнических специальностей, отражает опыт преподавания курса «Электрические измерения электрических и неэлектрических величин» кафедрой информационно-измерительной техники Львов­ ского политехнического института и является новым изданием су­ щественно переработанного и значительно дополненного учебного

Часть первая

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Г л а в а 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ИЗМЕРЕНИЯ

1.1. Исходные понятия и определения

Физическая величина и виды величин. Объекты окружающего материального мира — физические тела, их системы и состояния, происходящие в них процессы — обладают разнообразными свойст­ вами. Качественно одинаковые свойства могут различаться между собой количественным содержанием, которое в дальнейшем будем

Размер конкретной физической величины существует объективно, вне зависимости от того, что мы о нем знаем, и пребывает в причинноследственных связях с размерами других величин в соответствии с законами физики. По связи размера физической величины с объектом различают аддитивные (экстенсивные) и неаддитивные (интенсивные) величины.

Аддитивные величины (например, масса, объем, энергия) при делении объекта на части не могут не менять своих размеров, и к ним применима операция сложения. Неаддитивные величины (например, плотность, удельное электрическое сопротивление, температура) при делении объекта на части могут сохранять свои размеры, и к ним не применима операция сложения (плотность смеси не равна сумме плотностей компонентов).

Имеются активные (энергетические), например электрическое на­ пряжение, температура, и пассивные (сопротивление, диэлектрическая проницаемость и др.) физические величины. Размер пассивной вели­ чины обнаруживается при воздействии на объект, которому она присуща, соответствующей активной величины (сопротивление резис­ тора можно определить по силе тока при известном приложенном напряжении).

Размер является атрибутом каждой физической величины, а раз­ личают скалярные и векторнбю величины. Скалярные величины под­ разделяются на неполярные, которые обладают только размером (масса, объем), и полярные, которые имеют еще знак (заряд, поток). Вектор­

Величины, возможные размеры (или размеры и направления) кото­ рых при изменении на конечных промежутках времени или пространст­ ва образуют несчетное множество (континуум), называются контину­ альными (непрерывными) величинами. Если это множество счетное, то величина дискретная. Однако, если изменения, обусловленные дискретностью величины, незначительны по сравнению с ее размером, то она воспринимается как континуальная (например, сила тока).

Изменяющаяся величина, выраженная в виде функции времени, называется процессом, а если величина векторная,— векторным про­ цессом. Множество распределенных в пространстве и времени размеров скалярной или размеров и направлений векторной величины образует соответственно скалярное или векторное поле этой величины.

Измерение и измерительная информация. Согласно принятому определению измерение — нахождение значения физической величины экспериментально с помощью специальных технических средств.

Под значением х физической величины X подразумевается оценка ее размера в виде

х — N 1*,

где N — отвлеченное число, называемое числовым значением величины при принятом размере ее единицы 1*.

Измерительной информацией называют информацию о значениях измеряемых физических величин. При принятом размере единицы 1Х измеряемой величины X информацией о ее значении х является ее числовое значение N. Информация о размере физической величины содержится в самой величине, а задача измерения заключается в том, чтобы извлечь эту информацию из измеряемой величины. Осуществ­ ляя измерение, получают измерительную информацию в виде число­ вого значения Ы, представляющего собой отношение значения х измеряемой величины к принятому размеру ее единицы I*.

Приведенное выше определение понятия измерения привлекательно своей лаконичностью. Поскольку оно не принадлежит к элементар­ ным понятиям, его сущность нелегко изложить в лаконично сформули­ рованном определении. Для выяснения его специфики обратим внима­ ние на три признака, сочетанием которых оно отличается от других смежных понятий.

П е р в ы й п р и з н а к — это познавательный характер измере­ ния, заключающийся в том, что непосредственной целью измерения являются нахождение значения измеряемой величины, получение информации о ее значении.

В т о р о й п р и з н а к характеризует путь, которым находят значение измеряемой величины. Это — физический эксперимент (опыт), осуществляемый с помощью специальных технических средств при возможном использовании вспомогательных средств и вычисли­ тельных операций.

Т р е т и й п р и з н а к характеризует основание нахождения значения измеряемой величины. Основанием служит сравнение инфор­ мации о данном размере величины с информацией о размере ее единицы или о некотором ее размере. На основании сравнения с информацией о размере единицы получают числовое значение N и значение х

измеряемой величины X, а на основании сравнения с информацией о некотором другом размере величины получают относительное значение измеряемой величины (относительные измерения).

Учитывая перечисленные признаки, понятие измерения можно определить как нахождение значений физической величины экспери­ ментально с помощью специальных технических средств на основании сравнения информации о данном размере величины с информацией о размере ее единицы или о некотором другом ее размере.

Измерительный сигнал и преобразование измерительной информа­ ции. Материальными носителями информации являются сигналы, всегда имеющие вид энергетического процесса. Измерительный сиг­ нал — материальный носитель измерительной информации. Параметр измерительного сигнала, содержащий измерительную информацию, называется его информативным параметром.

Активная измеряемая величина сама является параметром энер­ гетического процесса, который несет информацию о ее размере и, следовательно, служит измерительным сигналом, а измеряемая вели­ чина — его информативный параметр.

При измерении пассивной физической величины измерительный сигнал необходимо создать. Для этого используется некоторый энер­ гетический переносчик (величина, процесс), один из параметров кото­ рого модулируется (изменяется) по определенному закону, называ­ емому кодом, в зависимости от размера этой пассивной измеряемой величины. Модулированный параметр переносчика, восприняв измери­ тельную информацию о ее размере, становится информативным пара­ метром созданного измерительного сигнала.

Измерительные сигналы подвергаются дальнейшим преобразова­ ниям, которые необходимы для извлечения измерительной информа­ ции. Все преобразования основаны на модуляции и кодировании. Модулируются определенные параметры переносчиков, а кодируется измерительная информация. Переносчиками могут служить и пассив­ ные величины, размеры которых, как параметры переносчиков, моду­ лируются активными величинами. Примером может служить модуля­ ция сопротивления терморезистивного преобразователя под воздейст­ вием температуры. Модулированный пассивный переносчик становится носителем измерительной информации, но не является сигналом.

Модуляция и кодирование органически связаны между собой, раздельно не существуют и лежат в основе всех преобразований изме­ рительных сигналов и содержащейся в них измерительной информа­ ции. Вид модуляции определяется видом переносчика, выбором моду­ лируемого параметра и видом кодирования.

Переносчик может быть величиной (пассивной или активной) с постоянным начальным размером, гармоническим колебанием, пара­ метрами которого являются амплитуда, частота и фаза, а также пери­ одической последовательностью импульсов, параметры которых — амплитуда, длительность, частота следования и фаза. Соответственно различают прямую модуляцию, модуляцию гармонических колебаний

и импульсную модуляцию, присваивая им названия по виду модулиру­

Аналоговое кодирование заключается в отображении размеров одной физической величины размерами другой физической величины. В процессе модуляции это отображение осуществляется изменениями размеров другой величины (параметра переносчика). Цифровое коди­ рование заключается в отображении числа шагов квантования по уровню размера физической величины комбинациями 'условных сим­ волов. Соответственно аналоговому и цифровому кодированию разли­ чают аналоговую и цифровую формы информации, а также аналоговые и цифровые сигналы.

+ ^/21 с шагом квантования ^ (квадратными скобками обозначена це­

вые сигналы могут быть непрерывными либо дискретными, тогда как цифровые сигналы всегда дискретны. Аналоговый сигнал становится цифровым после квантования его информативного параметра по уров­ ню с равномерным шагом <7и цифрового кодирования числа N шагов квантования.

Преобразование аналогового сигнала в другой аналоговый сигнал

сигнале содержится аналоговая, а в цифровом — цифровая информа­ ция. Вместе с преобразованием сигналов преобразуются измеритель­ ная информация и ее форма, соответственно аналоговая или цифровая.

Результат и погрешность измерения. Каждое измерение выполняют с определенной целью. Непосредственная цель — нахождение значе­ ния измеряемой величины. Для получения результата измерения необ­ ходимо знать, что, для чего, в каких условиях и с какой точностью надо измерить, а затем решить, чем и как измерять, чтобы полученный результат измерения отвечал требованиям использования его по на­ значению.

Значение физической величины, найденное путем измерения, еще не есть результат измерения, а становится им после оценки погреш­ ности измерения. Результат измерения — найденное измерением зна­ чение физической величины с оценкой пределов, в которых с задан­ ной вероятностью находится погрешность измерения.

Результат измерения можно получить по одному значению вели­ чины, найденному путем однократного ее измерения. Для повыше­

ния точности результата его значение определяют усреднением значе­ ний величины, найденных путем многократных ее измерений (см.

п.3.4).

По назначению результаты измерений подразделяются на окон­

чательные и промежуточные, используемые для получения оконча­ тельных путем совместной математической обработки с другими про­ межуточными результатами измерений. В связи с этим ГОСТ 8.011—72 предусматривает различные формы представления результатов изме­

ностью измерения и определяется как отклонение результата измере­ ния от истинного значения измеряемой величины. Под истинным зна­ чением подразумевается такое значение величины, которое выражало бы ее размер абсолютно точно, т. е. без погрешности (оно тождест­ венно равно размеру).

Погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой вели­ чины, называется абсолютной погрешностью измерения или, кратко

Более информативной является относительная погрешность, кото­ рая с учетом выражения (1.1) определяется как

Поскольку истинное значение величины не может быть известным, его в выражениях (1.1) и (1.2) заменяют действительным значением, под которым подразумевают значение физической величины, найден­ ное экспериментально и настолько приближающееся к истинному,

следовательно, является величиной высшего порядка малости и тем меньше, чем выше точность измерения.

1.2. Единицы физических величин

Принципы построения систем единиц и виды единиц. Единица физической величины — физическая величина такого размера, которой по определению присвоено числовое значение, равное 1.