ПРЕДИСЛОВИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Вся практическая деятельность человека тесно связана с измерениями. Не существует такой отрасли народного хозяйства и области точных наук, где бы не проводились измерения.

Исследования космоса и микромира, производство элек­ трической энергии и проведение сложнейшей хирургичес­ кой операции невозможны без использования количествен­ ной информации о свойствах объектов материального ми­ ра, т. е. о значении физических величин: механических, тепловых, электрических и др.

Эту информацию получают в результате измерений с помощью специальных технических средств, называемых средствами измерений.

С развитием техники развивались и средства измере­ ний. Появилась отрасль техники, связанная с производст­ вом и применением средств измерений, называемая изме­ рительной техникой. Среди различных средств измерений особое место занимают средства измерений электрических величин. Они возникли в результате развития учения об электричестве и магнетизме.

Благодаря ряду достоинств средства электроизмери­ тельной техники (ЭИТ) получили широкое распростране­ ние. К их основным преимуществам относятся:

универсальность, которая состоит в возможности их применения для измерения не только электрических вели­ чин, но и неэлектрических, предварительно преобразован­ ных в электрические с помощью различного типа измери­ тельных преобразователей;

диетанционность, заключающаяся в возможности про­ водить измерения даже тогда, когда объект измерения зна­ чительно удален от места размещения средств измерений; информация от объекта при этом передается с помощью электрических сигналов по проводам или в виде электро­ магнитных излучений;

простота автоматизации измерительных процессов}

возможность измерения быстро изменяющихся величин* возможность обеспечения высокой чувствительности и

необходимой точности средств ЗИТ и др.

Первый электроизмерительный прибор был предназна­ чен для изучения атмосферного электричества — прототип электрометра — и построен в 1743 г. русским физиком ака­ демиком Рихманом.

В первой половине XIX в. были заложены основы элек­ тротехники (законы Фарадея, принцип Ленца), разработа­ ны методы электрических измерений: баллистический (1832 г.), компенсационный (1841 г.), мостовой (1883 г.), появились первые гальванометры.

Электроизмерительная техника как отрасль сформиро­ валась во второй половине XIX в. Этому сопутствовало промышленное производство электрической энергии и ее практическое использование. Появилась необходимость в измерении различных электрических и магн-итных величин.

Большой вклад в развитие отечественного электроприборостроеиия и метрологии (науки об измерениях) внесли ученые и инженеры дореволюционной России. Многие их труды не утратили со временем не только научной, но и практической ценности. Так, принцип устройства прибора для измерения максимальной электрической силы, разра­ ботанный М. В. Ломоносовым, реализуется в современных показывающих приборах без существенных изменений.

Точно так же электроизмерительные приборы, создан­ ные выдающимся русским электротехником М. О. Доли- во-Добровольским, и разработанные им методы измерений дошли до наших дней (электромагнитные амперметры и вольтметры, индукционный ваттметр, ферродииамический ваттметр, метод измерений потер'ь в стали и др.).

А.Г. Столетов впервые применил баллистический метод

вмагнитных измерениях и исследовал зависимость магнит­ ной восприимчивости ферромагнетиков от напряженности магнитного поля (1871 г.). Этот метод используется в маг­ нитных измерениях до сих пор.

Первые попытки ввести единство в измерения электри­

ческих величин предпринял русский ученый а’кадемик Б. С. Якоби. Он создал ряд приборов для измерения элек­ трического сопротивления, изготовил условный эталон со­ противления из медной проволоки и разослал его физикам разных стран.

По инициативе гениального ученого Д. И. Менделеева на рубеже XIX и XX вв. в Главной палате мер и весов в

Петербурге было организовано специальное отделение для сверки электрических измерительных приборов.

Несмотря на достижения русских ученых в области электрических измерений, в России до революции электро­ измерительные приборы не производились, а потребность в них удовлетворялась за счет ввоза из-за границы.

Победа Великой Октябрьской революции положила на­ чало бурному развитию всех отраслей народного хозяйст­ ва. Заново создавалась электроприборостроительиая от­ расль, вступали в строй новые заводы.

За годы довоенных пятилеток подготовлены высококва­ лифицированные инженерно-технические и рабочие кадры для электроприборостроения.

Вгоды войны, несмотря на трудности, связанные с пе­ ребазированием ряда заводов в восточные районы стра­ ны, отечественное приборостроение с честью справилось со всеми заданиями фронта и тыла.

Особенно быстрыми темпами развивалось приборостро­ ение в послевоенные годы, отмеченные неуклонным увели­ чением выработки электроэнергии в стране и последова­ тельной механизацией и автоматизацией производства. По­ требовалось существенное увеличение производства средств ЭИТ, создание качественно новых приборов, использующих новые достижения науки и техники.

В60-е годы осваивается выпуск электронных измери­ тельных приборов с цифровым отсчетом. В общем выпус­ ке средств ЭИТ доля этих приборов неуклонно возрастает.

Развивается специализация, унификация и централизо­ ванное производство деталей приборов и систем, внедряется

прогрессивная технология. Это приводит к повыше­ нию качества продукции, выпускаемой отраслью. Так, при­ менение в приборах резисторов, изготовленных на основе печатной технологии и литого микропровода, позволило осуществить выпуск высокоточных полуавтоматических компенсаторов, мостов, делителей напряжения, погреш­ ность которых не превышает 0,005—0,0005 %.

В приборостроении широко используются достижения радиоэлектроники, вычислительной техники и других обл а- стей науки и техники. Все чаще в структуру современных средств измерений включают микропроцессоры, которые оказывают активное воздействие на сам процесс измере­ ния, существенно улучшая метрологические и эксплуатаци­ онные характеристики приборов и систем.

Рост номенклатуры средств ЭИТ, их применение* как

автономное так и в составе измерительно-информационных систем (ИИС), автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), накладывают от­ печаток на принципы проектирования, изготовления и экс­ плуатации средств измерений, в основе которых может ле­ жать только системный подход.

Этот подход выразился в создании агрегатного ком­ плекса средств электроизмерительной техники (АСЭТ). Цель работы по созданию такого комплекса — предельно сократить номенклатуру и добиться максимальной унифи­ кации серийно выпускаемых средств ЭИТ, обеспечивающих основные виды измерений при минимальных затратах. Аг­ регатирование становится основой технической политики в электроприборостроении.

За последнее десятилетие было освоено свыше 400 кон­ кретных типов средств АСЭТ: первичные преобразователи электрических и магнитных величин, вторичные измери­ тельные преобразователи, цифровые измерительные прибо­ ры, аналого-цифровые преобразователи, устройства пред­ ставления информации, в том числе показывающие и реги­ стрирующие приборы.

Выпускаемая в настоящее время электроприборостроительной отраслью продукция не только удовлетворяет спрос внутри страны, но и экспортируется за рубеж.

На основе изучения потребностей народного хозяйства в средствах ЭИТ, возможностей расширения производст­ венных мощностей, а также новейших достижений науки и техники определяются цели и задачи развития электро­ приборостроения на длительный Период.

Долгосрочное планирование развития средств ЭИТ по­ зволяет повысить эффективность и качество проводимых научно-исследовательских и опытно-конструкторских ра­ бот, поднять технический уровень выпускаемой отраслью продукции, полнее удовлетворить запросы отраслей народ­ ного хозяйства в средствах электроизмерительной техники.

К наиболее характерным тенденциям развития совре­ менного электроприборостроения можно отнести:

систематическое улучшение метрологических, технико­ экономических и эксплуатационных характеристик средств ЭИТ, увеличение в общем выпуске доли продукции выс­ шей категории качества;

высокие темпы развития, быстрая обновляёмость средств ЭИТ;

увеличение доли агрегатированных средств ЭИТ в об­ щем объеме выпускаемой продукции;

конструкторско-технологическое совершенствование средств ЭИТ на прогрессивной элементной базе (микро­ процессорах и других элементах с высокой степенью интег­ рации);

разработку и выпуск измерительно-информационных систем ;(ИИС) для систем автоматизации испытаний про­ дукции, научного эксперимента и АСУ ТП.

В «Основных направлениях экономического и социаль­ ного развития СССР на 1986— 1990 годы и на период до 2000 года», утвержденных XXVII съездом КПСС, подчер­ кивается, что, наряду со станкостроением и вычислитель­ ной техникой, приборостроению отводится ведущая роль в решении ключевой политической и хозяйственной задачи — всемерном ускорении научно-технического прогресса. Пре­ дусматривается «значительно расширить в приборах и средствах автоматизации применение элементной базы по­ вышенной надежности и быстродействия, сверхбольших ин­ тегральных схем, лазерной и волоконно-оптической техни­ ки». Ставится задача широкой электронизации средств электроизмерительной техники, выпускаемых для всех от­ раслей народного хозяйства.

Глава п е р в а я ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИЗМЕРЕНИЯХ

Современная наука и техника опираются на результа­ ты измерений физических величин, которые характеризу­ ют свойства объектов материального мира.

Физическая величина — это свойство, общее в качест­

венном отношении многим физическим объектам (физиче­ ским системам, их состояниям и проходящим в них про­ цессам), но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта.

Измерение — это нахождение значения физической ве­

личины опытным путем с помощью специальных техниче­ ских средств.

Таким образом, результат измерения дает представле­ ние о значении физической величины, т. е. содержит коли­ чественную (измерительную) информацию о состоянии объекта или процесса.

Результат измерения выражается через основное урав­

данной физической величины.

В зависимости от физической природы измеряемых ве­ личин различают тепловые, механические, электрические, акустические и другие измерения.

Электрическими называют измерения электрических и магнитных величин, в том числе параметров электричес­ ких цепей, а также различных неэлектрических величии, предварительно преобразованных в электрические вели­ чины.

Электрические измерения весьма разнообразны. Это объясняется множеством измеряемых величин, характером

ИХ изменения,во времени, различными способами получе­ ния результата измерения и другими факторами.

Измерения по способу получения результата делятся на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямыми называкгг измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных в соответствии с (1.1).

К этому виду относятся измерения различных физиче­ ских величин при помощи приборов, градуированных в еди­ ницах измеряемой величины, например измерение силы электрического тока амперметром, частоты переменного ток.§ — частотомером.

Прямые измерения отличаются быстротой и удобством выполнения, в связи с чем нашли самое широкое приме­ нение на практике.

Косвенными называют измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зави­ симости между этой величиной и величинами, подверга­ емыми прямым измерениям. Например, резонансную час­

Этот вид измерений требует дополнительных расчетов и используется только в том случае, когда проведение пря­ мых измерений с требуемой точностью затруднительно или невозможно.

Совокупными называют проводимые одновременно из­ мерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин находят решением системы урав­ нений, получаемых в результате прямых измерений раз­ личных сочетаний этих величин. На практике совокупные измерения производятся редко.

Совместными называют производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними. Такие измере­ ния производят, например, для нахождения коэффициентов

ю

Совместные измерения предусматривают одновременное определение температуры 0 и соответствующего этой тем­ пературе значения Re при разных значениях 0. Значения

а и р определяют из решения системы уравнений. Совме­ стные измерения производятся сравнительно редко, преи­ мущественно в лабораторной практике.

1.2. ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЯ

Единица физической величины — это физическая вели­ чина, которой по определению присвоено числовое значе­ ние, равное единице.

Механическим, тепловым, электрическим и другим фи­ зическим величинам соответствуют вполне определенные совокупности единиц измерения. В то же время для всех физических величин может быть построена общая система единиц.

Такая система основывается на произвольном выборе нескольких единиц, называемых независимыми. Из них одну группу наиболее важных единиц относят к основным, а другую — к дополнительным. Все остальные единицы на­ зывают производными. Их получают из основных и допол­ нительных единиц по формулам, вытекающим из основных физических законов. Формула, показывающая связь про­ изводной единицы с основными, называется уравнением связи.

Например, единица количества электричества кулон (Кл) представляет собой произведение единицы силы элек­ трического тока — ампера (А) на единицу времени — се­ кунду (с)

1 Кл = 1 А-1 с.

Выбор независимых единиц опирается на возможность их вещественного воспроизведения естественным путем с высокой степенью точности.

Совокупность основных и производных единиц, отно­ сящихся к некоторой системе величин, называется систе­ мой единиц физических величин.

С 1963 г. в СССР во всех областях науки и техники применяется международная система единиц СИ (Систе­ ма Интернациональная). Система единиц СИ имеет семь основных и две дополнительные единицы. В табл. 1.1 при­ ведены основные, дополнительные и некоторые производ­ ные единицы, нашедшие наибольшее применение в практи-