Введение.
Измерение технических величин тесно связано с прогрессом в развитии науки и техники. Именно измерения позволяют точно выявить зависимости, выражающие законы природы, поэтому, по словам Д.И. Менделеева «наука начинается там, где начинают измерять», любая величина, тело, процесс известен лишь в той мере, в какой их можно измерить.
Измерение является одним из основных способов познания окружающей среды. Они резко увеличивают возможности человека по сравнению с возможностями органов чувств, которыми его наделила природа. Особенно велика роль электрических измерений, так как в настоящее время подавляющее большинство всех измерений производится электрическими методами. Разработано большое количество измерительных преобразователей различных неэлектрических величин в электрические.
Метрология является наукой об измерениях вообще. Она занимается методами и средствами обеспечения единства измерений и достижения требуемой точности. При этом в метрологии выделилось два направления – научно-техническое и законодательное. Первое занимается созданием средств и методов измерений, методик обработки результатов измерений, а второе – созданием государственных нормированных общих правил и требований к измерениям.
Метрология и стандартизация тесно связаны между собой. Стандарты определяют требования к процессам и продукции, а метрология позволяет контролировать выполнение стандартов. Почти во всех развитых странах существуют разветвлённые государственные службы метрологии и стандартизации, призванные контролировать выполнение стандартов в различных отраслях народного хозяйства и следить за качеством производимых в этих отраслях измерений. Без обеспечения высокоточных и надёжных измерений невозможно говорить о качестве продукции.
Задача настоящего курса – познакомить студентов с основными понятиями метрологии и электроизмерительной техники, принципом действия и характеристиками различных электроизмерительных приборов, используемых для измерения как электрических, так и неэлектрических величин.
Основы метрологии.
Определение и классификация измерения.
Метрология – это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и достижения требуемой точности. Объектом измерения является физическая величина. Под физической величиной понимают свойство, в качественном отношении общее для многих физических объектов (систем, устройств, процессов), а в количественном – индивидуальное для каждого из них. Единица физической величины – это физическая величина, которой присвоено единичное значение.
Измерение - нахождение значений физических величин опытным путём с помощью специальных технических средств. Цель измерений – количественная оценка значения величины в общепринятых единицах.
Единство измерений – это такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, а погрешности известны с заданной вероятностью. Только в этом случае можно сопоставлять результаты различных измерений.
Средство измерения – техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированную погрешность (или нормированные метрологические свойства). Все средства измерений, используемые на практике, можно классифицировать следующим образом:
1.Мера - это средство измерения, предназначенного для воспроизведения какой-нибудь физической величины заданного размера, например, весовая гиря, магазин образцовых сопротивлений и т. д.
2.Измерительный прибор – средство измерения, в котором результат измерения представлен в виде, доступном для непосредственного восприятия человеком-наблюдателем.
3.Измерительный преобразователь – средство измерения, в котором информационный сигнал представлен в форме, удобной для дальнейшего преобразования или передачи, но не поддающийся непосредственному восприятию наблюдателем. Примером измерительного преобразователя может быть термопара, фоторезистор, делитель напряжения и т. д. При этом могут быть преобразователи неэлектрических величин в электрическую и преобразователи одной электрической величины в другую электрическую величину.
4.Электроизмерительная установка – это совокупность функционально связанных между собой средств измерений, расположенных в одном месте (не требуется передачи сигнала по каналам связи). Примером такой установки может служить стенд для проверки электрических счётчиков или установка для испытаний магнитных материалов.
5.Измерительная информационная система представляет собой совокупность средств измерений, соединённых между собой каналами связи и предназначенных для выработки информационных сигналов, удобных для автоматической обработки и использования в автоматических системах контроля и управления, например, система централизованного автоматического учёта электроэнергии на металлургическом заводе.
Все средства измерений должны удовлетворять государственным нормам: техническим (ошибки, входное сопротивление, масса…), безопасности, эстетическим и эргономическим, правилам приёмки и методам испытаний.
Принцип измерения – это совокупность физических явлений, на которых основаны измерения. Так, принципом измерения температуры с помощью ртутного термометра является тепловое расширение тел.
Метод измерения – совокупность приёмов использования принципов и средств измерения, например: преобразование электрического тока во вращающий момент в электромагнитных измерительных приборах. Выделяются два основных метода – непосредственной оценки и сравнения (имеется в виду сравнение с мерой).
Метод непосредственной оценки. Значение физической величины определяют непосредственно по отсчётному устройству прибора. В приборе происходит прямое преобразование измеряемой величины без использования обратной связи. Метод прост, но не обеспечивает высокую точность. Например, взвешивание на пружинных весах.
Метод сравнения предполагает сравнение измеряемой величины с величиной, воспроизводимой с мерой. Например. Взвешивание на рычажных весах с уравновешивание гирями. Различают три разновидности метода сравнения: нулевой, дифференциальный и метод замещения.
Нулевой метод – это метод сравнения измеряемой величины с мерой, в которой действие измеряемой величины на индикатор сводится к нулю встречным действием известной величины. Такой метод используется при измерении сопротивления, индивидуальности и ёмкости уравновешенным мостом.
Дифференциальный метод – это метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор воздействуют разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой. При этом результат измерения определяется не только мерой, но и показанием индикатора, которое в данном случае принципиально отличается от нуля. Этот метод используется при измерении с помощью неуравновешенного моста.
Метод замещения – метод сравнения с мерой, при котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой, которая окажет то же воздействие на прибор, что и измеряемая величина.
По способу получения результата измерения различают прямые и косвенные измерения. Прямые измерения это те, результат которых получается непосредственно из опыта, например, измерение тока амперметром. Косвенные измерения – это измерения, при которых искомая величина непосредственно не измеряется, а её значение вычисляется по известным формам на основании опытных данных. Примером может служить определение мощности по результатам измерения тока и напряжения (Р=U I).
