«Ни одной точной науки,

ни одной прикладной науки

без измерений.

Новые средства измерений

знаменуют собой настоящий прогресс».

/акад. Якаби Б. С./

Лекция 1

1. Введение и задачи курса.

2. Общие сведения об измерениях и измерительной аппаратуре:

а) основные понятия и определения;

б) системы единиц, основные единицы системы СИ;

в) виды средств эл. измерений;

г) меры электрических величин;

д) классификация электрических измерительных приборов;

е) основные характеристики и параметры электрических измерительных приборов.

Введение

Познание окружающей нас действительности, изучения закономерностей явлений природы, развитие науки и техники неразрывно связано с измерениями.

«Наука начинается... с тех пор, как начинают измерять; точная наука немыслима без меры». - писал Д. И. Менделеев.

Измерение, т. е. определение числового значения той или иной величины, играет исключительную роль в народном хозяйстве. Нет такой области науки и техники, нет такой отрасли промышленности или сельского хозяйства, где одним из решающих факторов не было бы измерение как таковое.

Научно-технический прогресс является центральной экономической и важной политической задачей нашей страны. Стержнем научно-технического прогресса является повышение производительности труда путем автоматизации производства, автоматизации управления и ускорения научных исследований с целью быстрейшего внедрения их производства.

Главная задача 10-ой пятилетки состоит в последовательном осуществлении курса КПСС на подъем материального и культурного уровня жизни народа на основе динамичного и пропорционального развития общественного производства и повышения его эффективности, ускорения научно-технического прогресса, роста производительности труда, всемирного улучшения качества работы во всех звеньев народного хозяйства.

Для решения этих задач предусматривается в промышленности...

.... расширить выпуск прогрессивных, экономичных видов машин, оборудования и примеров для всех отраслей народного хозяйства.

Увеличить выпуск приборов и средств автоматизации в 1,6-1,7 раза, средств вычислительной техники в 1,8 раза.

Развивать производство... устройств регистрации и передачи информации для автоматизированных систем управления технологическими процессами и оптимального управления в отраслях народного хозяйства.

Расширить производство приборов для нужд сельского хозяйства.

Изучение явлений природы, отыскание законов, которым эти явления подчинены, и вообще всякие научные изыскания всегда связаны с измерениями, так как такие исследования сводятся в конечном итоге к определению количественных соотношений, через которые вскрываются и качественные стороны изучаемых явлений и предметов.

Совершенствование техники измерений, проявляющееся в повышение точности измерений и в создании новых методов и приборов, способствует определенным новым достижениям в науке.

Новые открытия в науке в свою очередь приводят к совершенствованию техники измерений, а также к созданию новых приборов.

Современная информационно-измерительная техника располагает совокупностью средств измерения около двухсот различных физических величин электрических, магнитных, тепловых, механических, световых, акустических и др.

Огромное количество различных величин в процессе измерения преобразуется в величины электрические как наиболее удобные для передачи, усиления сравнения, точного измерения.

Поэтому в развитии современной информационно-измерительной технике преобладающие значение приобретает развитие средств измерений электрических величин.

Уровень развития электроизмерительной техники в значительной степени определяет состояние технического прогресса во всех отраслях народного хозяйства. 29.04.1745г. был представлен академиком Рихмоном общему собранию Петебуржской академии «Указатель электрической искры » - первый электроизмерительный прибор.

В настоящее время без качественной эл. измерительной техники невозможно проведение научных исследований на современном уровне, а также невозможно реализация потенциала современного парка ЭВМ, разработка и внедрение систем автоматизированного контроля и управления – основного средства технического прогресса и повышения производительности труда.

Электроизмерительные приборы и устройства широко применяются в промышленности при научных исследованиях, в космонавтике, на транспорте в системах связи и навигации, в геологоразведке, в гидрометеорологии и во многих других областях трудовой деятельности человека.

Это объясняется преимуществами, присущими электрическим измерениям, основными из которых являются:

1. Широкий диапазон измеряемых величин, характеризуемый 18-го разрядами (например, по напряжению от 10-14 до 106 В, по току от 10-9 до 106 А, по сопротивлению от 10-6 до 10-14 Ом);

2. Высокая чувствительность (например, по току 1*1012 мм/А, по напряжению 1·106 мм/В).

3. Высокая точность. Погрешность современных показывающих приборов доведена до 0,05%, а приборов сравнения – до 0,001%.

4. Возможность получать значение измеряемой величины не только в данный момент, но и записывать изменение ее во времени.

5. Осуществимость измерений на расстоянии (телеизмерения).

6. Возможность измерять неэлектрические величины электрическими методами.

7. Осуществимость автоматизации получения и обработки результатов измерения.

8. Возможность производить измерения без нарушения хода технологического процесса.

9. Возможность измерения как медленно так и быстро изменяющихся величин.

Выполнение величественных планов развития народного хозяйства 10-ой пятилетке, осуществление грандиозных строительств, ставят перед всеми отраслями советской промышленности новые задачи. Такие задачи стоят и перед электротехникой – в частности, и перед электроизмерительной техникой.

Увеличение выработки эл. энергии в стране к 1980 году до 1340-1380 млрд. кВт*ч, осуществление плана комплексной механизации и автоматизации производства потребуют создания качественно новых электроизмерительных приборов и устройств, замены устаревших приборов современными, основанными на новых принципах измерениях.

В настоящее время электроизмерительная техника интенсивно развивается в следующих направлениях:

а) повышение точности и быстродействия, расширение частичного диапазона, улучшение конструкции многообразных эл. измерительных приборов;

б) расширение номенклатуры и улучшение характеристик разнообразных измерительных преобразователей, широко применяемых при измерениях электрических и неэлектрических величин, а также в системах автоматического управления;

в) разработка и выпуск различных специализированных эл. измерительных установок, предназначенных для проверки эл. измерительных приборов, испытания ферромагнитных материалов и других целей;

г) выпуск и совершенствование ИИС, предназначенных для автоматического получения, передачи, обработки и представления в той или иной форме и в значениях измеряемых или контролируемых физических величин (ИИС – информационно-измерительной системы);

д) совершенствование и создание новых государственных эталонов единиц эл. величин, что обеспечивает повышение уровня точности эл. измерений.

Особую роль должны сыграть эл. измерения в электрификации с/х. Возрастающая с каждым годом автоматизация производственных процессов в животноводстве и полеводстве, внедрение эл. энергии в биологические процессы на базе общей электрификации с/х неразрывно связаны с развитием эл. измерительной техники.

В связи с автоматизацией управления и регулирования, которые все меры будут внедрять в с/х производство, значительно усложняются требования к эл. измерительной технике. Наличающийся постепенный переход к технологии поточного производства ив животноводстве и полеводстве выдвигает новые требования к технологическим измерениям, обеспечивающим высокую надежность работы и качества продукции.

Решение указанных задач сегодня требует, чтобы инженер с/х производства хорошо ориентировался в обширном круге вопросов, обладал серьезной технической эрудицией.

В частности, от инженера-электрика требуется глубокое знание теории и практики эл. измерений.

2. Общие сведения об измерениях и измерительной аппаратуре.

а) основные понятия и определения.

Количественная оценка свойств различных объектов измерения (исследования) осуществляется путем измерения физических величин, характеризующих указанные свойства.

Измерением называется познавательный процесс, заключающийся в сравнении опытным путем измеряемой величины с некоторым ее значением, принятым за единицу.

В более широком смысле

Измерение – это процесс приема и преобразования информации об измеряемой величине для получения количественного результата ее сравнения с единицей измерения в форме, наиболее удобной для исследования.

Таким образом, измерение представляет собой процесс получения информации: после измерения мы узнаем о численном значении измеряемой величины, ее связях и соотношениях с другими величинами больше, чем мы знали до измерения.

Значит, измерение это экспериментальное сравнение измеряемой величины с другой однородной величиной, принятой и узаконенной в качестве единицы. Так как измерение представляет собой физический эксперимент, оно не может быть осуществлено умозрительно, абстрактно. Из этого следует, что для любого измерения необходимы узаконенная система единиц и технические средства ее осуществления.

Результатом измерения всегда является числовое значение измеряемой величины А, которое равно отношению измеряемой величины Аиз к единице измерения Х. Иными словами, числовое значение показывает, во сколько раз измеряемая величина больше или меньше единицы измерения.

Процесс измерения, следовательно, может быть записан так:

А= Аиз/Х, откуда Аиз= А·Х, т. е. «измеряемая величина Аиз составляет столько-то А единиц Х».

Последнее уравнение называется основным уравнением измерения.

б) система единиц. Основные единицы СИ.

Системой единиц называется совокупность основных и производных единиц измерения, охватывающих некоторую область измерений физических величин.

В СССР с 1 января 1963 года введен в действие ГОСТ 9867-61, которым рекомендуется применение СИ как предпочтительной во всех областях науки и технике, а также при преподавании.

Международная система единиц (СИ) построена на семи основных единицах двух дополнительных и 27 производных.

Основные единицы СИ.

Размер основных единиц устанавливается независимо от размеров других единиц.

Производные единицы – определяются уравнениями связи, выражающими математическую зависимость данной единицы от других единиц.

№	Наименование величины	Единица измерения	Сокращенное обозначение
			русское	латинское
1.	Длина	метр	М	m
2.	Масса	килограмм	кг	kg
3.	Время	секунда	с
4.	Сила эл. тока	ампер	А	A
5.	Термодинам. температуры	кельвин	К	K
6.	Сила света	кандела	кд	cd
7.	Количество вещества	моль	моль	mol

Дополнительные единицы

1. Радиан – угол между двумя радиусами круга, вырезающими на его окружности дугу, длина которой равна радиусу (единицы линейного угла).

2. Стерадиан – телесный угол, величина которого расположена в центре сферы и который вырезает на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной равной радиусу сферы (единицы телесного угла).

В измерительной практике очень часто пользуются кратными и дольными единицами. Они образуются путем умножения целых единиц на 10к, где к – целое число. При этом к наименованиям единиц прибавляют соответствующие приставки.

Дольность или кратность	Наименование приставки	Сокращенные обозначения (русское)	Дольность или кратность	Наименование  приставки	Сокращенное обозначение (русское)
10-18	атто	а	10	дека	да
10-15	фемто	ф	102	гекто	г
10-12	пико	п	103	кило	к
10-9	нано	н	106	мега	М
10-6	микро	мк	109	гига	Г
10-3	милли	м	1012	тера	Т
10-2	санти	с
10-1	деци	g

Виды средств электрических измерений.

Средствами электрических измерений называют технические средства, используемые при электрических измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства.

Различают следующие виды средств электрических измерений:

1. Меры.

2. Электрические измерительные приборы.

3. Измерительные преобразователи.

4. Электроизмерительные установки.

5. Измерительные информационные системы (ИИС).

Мерами называют средства измерений, предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера. (Вещественно воспроизведенная единица измерения).

Различают однозначные, многозначные меры и набор мер.

Однозначная мера воспроизводит физическую величину одного размера.

Многозначная мера воспроизводит ряд одноименных величин различного размера (конденсатор переменной емкости, вариометр индуктивности и др.).

Набор мер представляет собой специально подобранный комплект мер, применяемых не только по отдельности, но и в различных сочетаниях с целью воспроизведения ряда одноименных величин различного размера (магазин сопротивлений).

Электроизмерительными приборами называют средства электрических измерений, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации, т. е. сигналов функционально связанных с измеряемыми физическими величинами, в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Меры электрических величин.

В практике электрических измерений в качестве мер широко используют меры э. д.с., электрических сопротивлений, индуктивности, взаимоиндуктивности и емкости.

Мера Э. Д.С. Образцовой мерой э. д.с. служит нормальный элемент, представляющий собой гальванический элемент, характеризующийся весьма стабильным значением, развиваемой им э. д.с. Э. Д.С. н. э. отличаются от 1 В, но она точно известна. Это достигается подбором составных частей элемента из строго определенных по химическому составу веществ, точной их дозировкой и строго однообразной конструкцией. При температуре 20оС э. д.с. насыщенного н. э. составляет 1.0185 – 1.0187 В, т. е. наиболее допустимое расхождение значений э. д.с. превосходит 200 мкВ. Н. Э. изготавливают двух типов: насыщенные и ненасыщенные, отличающиеся друг от друга конструкцией, электролитом и стабильностью развиваемой э. д.с. Ненасыщенные – имеют меньшее внутренние сопротивление (~300 Ом) и малый температурный коэффициент. При температуре от 10 до 40оС – не превышает 15 мкВ на 1оС. У насыщенных – температурный коэффициент в 4 раза больше э. д.с.

Н. Э. мало меняется во времени. Согласно ГОСТ 1954 – 64, допускается изменение э. д.с. насыщенного н. э. за год не более 50 – 100 мкВ.

В зависимости от точности определения э. д.с., ее стабильности н. э. подразделяются на классы.

Н. Э. не может быть использован как источник электрической энергии, его нельзя нагружать током, превышающим допустимые значения.

Меры электрического сопротивления выполняют в виде образцовых измерительных катушек сопротивления или измерительных магазинов сопротивления. Значение сопротивлений их 10±n Ом, где n – целое число.

Образцовые катушки снабжают двумя парами зажимов, два из которых называются токовыми и предназначены для включения образцовой катушки в цепь тока, два других называются потенциальными. Сопротивление между потенциальными зажимами равно сопротивлению образцовой катушки к потенциальным зажимам присоединяются провода, идущие к измерительной схеме.

К материалу, из которого изготавливаются катушки, предъявляются следующие требования:

1) возможно больше удельное сопротивление;

2) наименьшей температурный коэффициент и термо э. д.с. в паре с другими металлами;

3) устойчивость металла провода против окисления.

Этим требованиям лучше всего удовлетворяет манганин.

В зависимости от погрешности образцовых сопротивлений и других характеристик (изменение сопротивлений с течением времени, допустимой мощности и др.) образцовые сопротивления делятся на классы точности, для которых погрешности и другие характеристики нормируются соответствующими ГОСТ.

Меры индуктивности и взаимоиндуктивности.

Меры L и M выполняют в виде отельных катушек или магазинов. Образцовые катушки индуктивности и взаимной индуктивности обычно изготавливают в виде плоских катушек из изолированной тонкой проволоки, намотанной на каркас. Катушки должны обладать постоянство индуктивности, малым активным сопротивлением, независимостью индуктивности от величины тока и возможно малой зависимостью индуктивности от чистоты тока.

Для получения независимости L катушки от силы тока каркас катушки изготавливают из материала, М которого равна единицы и не зависит от магнитной индукции в нем (фарфор, мрамор, керамика, пластмассы, реже – дерево). Для обмоток выбирают многожильный провод (для уменьшения влияния частоты – уменьшают распределенную емкость).

Катушки взаимной индуктивности состоят из двух обмоток, жестко укрепленных на общем каркасе.

Мерами с переменными значениями L и М служат вариометры.

Меры емкости. Ими служат воздушные (не более 11000 пФ) или слюдяные конденсаторы постоянной и переменной емкости.

Образцовые меры емкости должны обладать постоянством емкости и малым ее температурным коэффициентом, весьма малыми потерями энергии в диэлектрике, независимостью емкости от частоты и формы кривой тока и высоким сопротивлением и прочностью изоляции.

Классификация мер и измерительных приборов.

Электрические измерительные приборы весьма разнообразны по принципу действия и конструктивному оформлению, вследствие различных требований, предъявляемых к ним.

Меры и измерительные приборы можно классифицировать по ряду признаков.

1. По функциональному признаку:

а) средства сбора, обработки и представления информации;

б) средства аттестации и проверки.

или

а) рабочие меры и измерительные приборы;

б) образцовые меры и измерительные приборы;

в) эталоны.

Эталон – это мера, воспроизводящая единицу измерения с наибольшей для данного исторического времени точностью.

2. По способу представления результатов измерения:

а) показывающие;

б) регистрирующие.

3. По методу измерения:

а) непосредственного отсчета;

б) сравнения.

4. По способу применения и по конструкции:

а) переносные;

б) стационарные.

5. По точности измерения:

а) измерительные;

б) индикаторы;

в) указатели.

6. По способу воспроизведения измеряемой величины:

а) аналоговые;

б) цифровые.

Аналоговые – электрические измерительные приборы, показания которых являются непрерывными функциями изменений измеряемой величины.

Цифровые – электрические измерительные приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы изменения информации, показания которых представлены в цифровой форме.