1.1. Определение и классификация измерений, методов и средств измерений. Единицы физических величин

Наука об измерениях, методах и средствах обеспе­чения их единства и достижения требуемой точности на­зывается метрологией.

Измерением называется нахождение значений физи­ческих величин опытным путем с помощью специальных технических средств.

Измерения должны выполняться в общепринятых единицах.

В СССР в 1963 г. введена Международная система единиц (СИ). Основными единицами СИ являются: метр (м), килограмм (кг), секунда (с), ампер (А), кельвин (К) и кандела (кд). Кроме основных единиц установлены производные единицы. В табл. 1.1 приве­дены наиболее употребительные производные единицы электрических и магнитных величин.

Наименования крагных и дольных единиц образуют­ся путем применения приставок, приведенных в табл. 1.2.

Средствами электрических измерений называют тех­нические средства, используемые при электрических из­мерениях и имеющие нормированные погрешности. Раз­личают следующие виды средств электрических измере­ний: 1) меры; 2) электроизмерительные приборы; 3) из­мерительные преобразователи; 4) электроизмеритель­ные установки; 5) измерительные информационные сис­темы.

Мерой называется средство измерений, предназна­

ченное для воспроизведения физической величины за­данного размера, например измерительная катушка со­противления, конденсатор, гиря. Набор мер представля­ет собой специально подобранный комплект мер для воспроизведения ряда одноименных величин различного размера. Примерами набора мер являются магазины сопротивлений, емкостей и т. д.

Таблица 1.1. Производные единицы электрических и магнитных величин

Обозначение

Величина

Работа, энергия, количество теплоты Мощность

Количество электричества Электрическое напряжение, разность

потенциалов, ЭДС Напряженность электрического поля

Электрическое сопротивление Электрическая емкость Поток магнитной индукции Индуктивность и взаимная индук­тивность Магнитная индукция Напряженность магнитного поля

J

W С V

V/m

Q F

Wb

н т

А/т

А Hz

Дж Вт Кл В

В/м

Ом Ф Вб Гн

Тл А/м

А Гц

джоуль ватт кулон вольт

вольт на метр ом

вебер генри

тесла ампер на метр ампер герц

Магнитодвижущая сила Частота

Таблица 1.2. Приставки к единицам

Пристав­ка	Отношение к основной единице	Обозначение		Пристав­ка	Отношение к основной единице	Обозначение
		русское	между­народ­ное			русское	между­народ­ное
Пико	10-12	П	Р	Дека	10	Да	da
Нано	10-9	Н	tl	Гекто	102	Г	h
Микро	ю-6	MK	(X	Кило	10s	К	k
Миллн	10—3	м	т	Мега	10е	М	М
Саитн	10-2	с	с	Гига	Ю9	Г	G
Деци	10-1	д	d	Тера	101?	т	Т

Электроизмерительными приборами называют сред­ства электрических измерений, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации, т. е. информации о значениях измеряемой величины, в фор­ме, доступной для непосредственного восприятия наблю­дателем, например амперметр, вольтметр, ваттметр, фа­зометр.

Измерительными преобразователями называют сред­ства электрических измерений, предназначенные для вы­работки сигналов измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непо­средственному восприятию наблюдателем. Измеритель­ные преобразователи можно разделить на: 1) преобра­зователи электрических величин в электрические, на­пример шунты, делители напряжения, трансформаторы; 2) преобразователи неэлектрических величин в электри­ческие, например термоэлектрические термометры, тер­морезисторы, тензорезисторы, индуктивные преобразо­ватели.

Электроизмерительная установка состоит из ряда средств измерений (мер, измерительных приборов, изме­рительных преобразователей) и вспомогательных уст­ройств, расположенных в одном месте. При помощи та­ких установок можно в ряде случаев производить более сложные и более точные измерения, чем при помощи от­дельных измерительных приборов. Электроизмеритель­ные установки широко используются, например, для по­верки и градуировки электроизмерительных приборов и испытаний магнитных материалов.

Измерительные информационные системы представ­ляют собой совокупность средств измерений и вспомога­тельных устройств, соединенных между собой каналами связи. Они предназначены для автоматического получе­ния измерительной информации от ряда ее источников, а также для ее передачи и обработки (подробнее см. гл. 17).

В зависимости от способа получения результата из­мерения делятся на прямые и косвенные.

Прямыми называются измерения, результат которых получается непосредственно из опытных данных. Приме­ры прямых измерений: измерение тока амперметром, тем­пературы термометром, массы на весах.

Косвенными называются измерения, при которых искомая величина непосредственно не измеряется, а ее значение находится на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, полученными в результате прямых измерений. Например, мощность Р в цепях постоянного тока вычисляют по формуле P—UI\ напряжение U в этом случае измеряют вольтметром, а ток / — амперметром.

В зависимости от совокупности приемов использова­ния принципов и средств измерений все методы делятся на методы непосредственной оценки и методы сравнения.

Под методом непосредственной оценки понимают ме­тод, по которому измеряемая величина определяется непосредственно по отсчетному устройству измеритель­ного прибора прямого действия, т. е. прибора, осущест­вляющего преобразование измерительного сигнала в одном направлении (без применения обратной связи), например измерение тока амперметром, измерение дав­ления пружинным манометром. Метод непосредственной оценки прост, но отличается относительно низкой точно­стью.

Методом сравнения называют метод, по которому из­меряемая величина сравнивается с величиной, воспроиз­водимой мерой. Отличительной чертой метода сравнения является непосредственное участие меры в процессе из­мерения, например измерение сопротивления путем срав­нения его с мерой сопротивления — образцовой катуш­кой сопротивления, измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями. Методы сравнения обеспе­чивают большую точность измерения, чем методы непо­средственной оценки, но это достигается за счет услож­нения процесса измерения.

Методы сравнения подразделяются на нулевые, диф­ференциальные и замещения.

Нулевой метод — это метод сравнения измеряемой величины с мерой, в котором действие измеряемой ве­личины на индикатор сводится к нулю встречным дейст­вием известной величины. Примером может служить измерение электрического сопротивления при помощи уравновешенного моста.

Дифференциальный метод — это метод сравнения с мерой, по которому прибором измеряется разность меж­ду измеряемой величиной и известной величиной, вос­производимой мерой. По дифференциальному методу происходит неполное уравновешивание измеряемой ве­личины, и в этом заключается отличие дифференци­ального метода от нулевого. Примером этого метода может служить измерение электрического сопротивления при помощи неуравновешенного моста. В этом случае измеряемое сопротивление будет определяться не только известными сопротивлениями плеч моста, но и показа­нием индикатора.

Метод замещения — это метод сравнения с мерой, по которому измеряемая величина А_х заменяется в измери­тельной установке известной величиной Ло, воспроизво­димой мерой, причем путем изменения величины Ло из­мерительная установка приводится в прежнее состояние, т. е. достигаются те же показания приборов, что и при действии величины А_х. В результате А_х—А₀. Из всех разновидностей методов сравнения метод замещения наибочее точен, так как при замене измеряемой величи­ны известной никаких изменений в состоянии и действии измерительной установки не происходит, вследствие этого погрешность в показаниях измерительных прибо­ров не влияет на результат измерения. Примером мето­да замещения может служить измерение сопротивления с поочередным включением измеряемого сопротивления и регулируемого образцового сопротивления в одно и то же плечо моста.