Единицы физических величин

С.В. Васильев, В.И. Недолугов

ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЙ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Пособие по курсам

«Элементы и узлы приборов информационно-измерительной техники»,

«Электроника и микропроцессорная техника», «Электроника»,

«Электронная и информационно-измерительная техника»

для студентов специальностей 1-38 02 01 – Информационно-измерительная техника, 1-36 01 04 – Оборудование и технология высокоэффективных процессов обработки материалов, 1-53 01 04 – Автоматизация и управление энергетическими процессами, 1-43 01 02 – Электроэнергетические системы и сети

Гродно 2009

УДК 621.317(075)

ББК 32.85я73

Е50

Рецензенты: кандидат физико-математических наук, доцент Гродненского государственного медицинского университета С.И. Клинцевич;

кандидат физико-математических, доцент кафедры радиофизики и электроники ГрГУ им. Я. Купалы А.Е. Василевич.

Рекомендовано Советом инженерно-физического факультета ГрГУ им. Я Купалы.

Основыизмерений физических величин : пособие Е50 / авт.- сост.: С.В. Васильев, В.И. Недолугов. – Гродно : ГрГУ, 2008. – 200 с.

ISBN 985-417-

В пособие изложены базовые понятия метрологии и электрических измерений. Рассмотрены методы и средства измерения электрических и неэлектрических величин. Приведены сведения об устройстве и принципах действия измерительных аналоговых и цифровых приборов.

Пособие адресовано студентам, изучающим основы измерений физических величин.

УДК 621.317 (075)

ББК 32.85я73

ISBN 985-417-©ГрГУ им. Я. Купалы, 2008

ВВЕДЕНИЕ

Измерение - это единственный способ получения достоверной информации. Измерения осуществляются во всех сферах человеческой деятельности.

Проблемы развития науки, техники и промышленности, вопросы энерго- и ресурсосбережения, атомной энергетики, экологической безопасности не могут решаться без привлечения измерительной техники. Роль измерений в жизни общества непрерывно повышается, поэтому интерес к измерительной техники во всем мире постоянно растет.

Вопросам измерения технологических параметров, разработке новых методов и средств измерения, повышению точности измерений во всех странах мира уделяется большое внимание.

За последние десятилетия в десятки раз возросли скорости протекания технологических процессов и число измеряемых параметров, которое в настоящее время исчисляется тысячами, поэтому заметно сдали свои позиции, считавшиеся долгое время классическими, подходы к решению практических задач, обычно применявшиеся методы и средства.

Поэтому надежность средств измерения и информационно-измерительных систем во многих случаях определяет надежность технологического процесса в целом. Без достоверных значений параметров и автоматического контроля за этими значениями в большинстве случаев нельзя управлять процессом, без средств измерения невозможна автоматизация. Особенно большое значение приобретают вопросы получения достоверных значений измеряемых параметров в связи с задачами комплексной автоматизации технологических процессов и более эффективного использования производственного потенциала. Решение этих задач требует анализа процессов и их технико-экономических показателей, а для этого нужны надежные и точные средства измерения.

Появление и быстрое распространение вычислительной техники, микроэлектроники привели к пересмотру взглядов на области применения и возможности измерительной аппаратуры.

Электрические измерения в современной измерительной технике занимают важное место. Причина широкого распространения электрических измерений – простота и удобство получения, преобразования, передачи и хранения информации, представленной в электрической форме. Подавляющее большинство средств измерений основано на принципах электрических измерений. Таким образом, электрические методы и средства измерения электрических и неэлектрических величин играют ведущую роль в деле получения первичной информации об окружающем нас мире, о различных технологических объектах и процессах.

В данном пособии рассмотрены нестареющие основы метрологии, базовые понятия измерительной техники, классические, современные, а также перспективные методы и средства измерения электрических и неэлектрических величин.

Значительная часть пособия посвящена динамическим методам и средствам, цифровым методам и средствам, в частности, перспективным цифровым измерительным регистраторам и анализаторам. Меньше внимания уделено устаревающим методам и средствам измерений

Использование данного пособия поможет студентам в изучении электроизмерительной техники, освоении методов практической метрологии.

ГЛАВА 1. ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ И ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Измерение

Метрология – это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства, способах достижения требуемой точности. В метрологии различают три направления; теоретическое (фундаментальное), законодательное и практическое (прикладное). В данном изложении главное внимание уделим основным положениям практической метрологии.

Базовыми понятиями метрологии и измерительной техники являются измерение, единство измерений, точность измерений (рис. 1).

Рис. 1. Структура базовых понятий метрологии и измерительной техники

Измерением называют процесс нахождения значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств (средств измерений).

Физическая величина

Физическая величина (ФВ) – это свойство, в качественном отношении общее для многих физических объектов, но в количественном отношении – индивидуальное для каждого объекта. Все многообразие ФВ может быть классифицировано по множеству различных признаков. Все ФВ подразделяются на две группы: неэлектрические и электрические величины. Неэлектрических величин гораздо больше, чем электрических. Это: длина, объем, масса, сила, давление, скорость линейного движения или вращения, расход вещества, температура, относительная влажность, освещенность и множество других. К электрическим ФВ относятся электрический заряд, ток, напряжение, электрические сопротивление и емкость, проводимость, активная и реактивная мощности, электрическая энергия и др.

Значение ФВ – это количественная оценка ФВ в виде конкретного числа принятых для этой величины единиц. Например, значение тока в электрической цепи I = 10,2 А.

Виды средств измерений

Средство измерений (СИ) – техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики. Все СИ подразделяются на пять видов: меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки, измерительные системы.

Мера – это СИ, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Например, нормальный гальванический элемент – мера ЭДС; образцовый (измерительный) резистор; образцовая катушка индуктивности и т.д. Измерительный преобразователь – СИ, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для дальнейшего преобразования, передачи, обработки, хранения, но не предназначенной для непосредственного восприятия наблюдателем. Например: измерительные трансформаторы тока и напряжения, измерительные усилители, делители напряжения, шунты, добавочные резисторы, цифровые измерительные регистраторы (логгеры) и т.п. Измерительный преобразователь не имеет отсчетного устройства, и поэтому результат преобразования не может быть непосредственно воспринят человеком.

Измерительный прибор – это СИ, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем, т.е. имеющее отсчетное устройство или индикатор. Например: электромагнитный щитовой вольтметр, самопишущий прибор, осциллограф, цифровой мультиметр, инфракрасный термометр, манометр и др. Измерительный прибор – наиболее распространенный вид СИ.

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных СИ и вспомогательных устройств, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, и расположенная в одном месте. Например: лабораторная установка для исследования характеристик электродвигателей, стенд для поверки электрических счетчиков и т.п. Отличие измерительной установки от измерительной системы заключается в ее локальности, компактности размещения.

Измерительная система – совокупность СИ и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления. Например, многоканальный пространственно распределенный информационно-измерительный комплекс в составе системы управления производством.

К основным нормируемым метрологическим характеристикам (НМХ) относятся погрешности СИ, номинальная функция преобразования или коэффициент преобразования измерительного преобразователя, чувствительность, диапазон измерений, входное сопротивление и ряд других.

Виды и методы измерений

Получать значения ФВ (результаты измерений) можно различными способами. В практике электрических измерений применяются разнообразные виды и методы измерений. Существуют следующие виды измерений: прямые, косвенные, совокупные и совместные. Наиболее распространены прямые и косвенные измерения.

Прямые измерения – измерения, при которых искомое значение измеряемой величины находят непосредственно из опытных данных. Пример прямого измерения – измерение действующего значения напряжения электрической сети с помощью цифрового мультиметра. Косвенные измерения – измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной функциональной зависимости между этой величиной и исходными величинами, оцениваемыми прямыми измерениями. Пример косвенного измерения – измерение мощности Р на активной нагрузке R с помощью амперметра и вольтметра: Р =UI,где U – напряжение на нагрузке R,измеренное вольтметром; I – ток в нагрузке, измеренный амперметром.

Совокупность приемов использования физических принципов и средств измерений называют методом измерений. Различают метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой

В методе непосредственной оценки значение измеряемой величины определяется прямо (непосредственно) по отсчетному устройству измерительного прибора. Например, измерение температуры цифровым термометром.

Метод сравнения с мерой основан на сравнении измеряемой величины с мерой. Процедура сравнения может быть выполнена по-разному. Это может быть одновременное или разновременное сравнение величины с мерой. В свою очередь, метод одновременного сравнения подразделяется на дифференциальный и нулевой.

В дифференциальном методе измеритель (например, вольтметр)оценивает разность между измеряемой величиной ЭДС Е_х и известной величиной Е₀,воспроизводимой мерой.

В нулевом методе разница между измеряемой Е_х и известной Е₀величинами доводится до нуля с помощью изменения известной величины Е₀.

Факт достижения равенства Е_х = Е₀определяется показаниями нулевого индикатора (НИ). Типичный пример реализации нулевого метода – измерение сопротивления уравновешиваемым мостом постоянного тока.

В методе разновременного сравнения сравнение измеряемой величиной Е_х и изменяемой известной Е₀происходит в режиме поочередного измерения. Если показания измерителя (например, вольтметра) при измерении величины Е_х равны V₁то, подключив известную Е₀и изменяя ее значение до достижения равенства результатов второго и первого измерений (V₂ = V_x),получим равенство Е_х = Е₀.

Единство измерений

Под единством измерений понимают такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности результатов измерений известны с известной или заданной вероятностью. Единство измерений позволяет сопоставлять результаты измерений, выполненные в разных местах, в разное время, разными специалистами, с помощью разных средств измерений. Единство измерений обеспечивается использованием общепринятой системы единиц физических величин, стандартизацией, метрологическим обеспечением, эталонами и образцовыми средствами измерений, соответствующей нормативно-технической документацией.

Единицы физических величин

Единица физической величины – это такая физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице.

В нашей стране, как и в большинстве других стран, действует Международная система единиц (System International – SI). Система основана на выборе нескольких основных единиц физических величин, независимых и достаточных для образования других (производных) единиц физических величин.

Основные, дополнительные и производные единицы физических величин. Все единицы физических величин подразделяются на основные (их семь), дополнительные (их две) и производные (около 200 и их число растет). В табл. 1 приведены основные и дополнительные единицы физических величин.

Отметим, что конкретный размер основной единицы физической величины не имеет значения. Например, в качестве основной единицы длины мог бы выступать не метр, а фут или аршин. Главное, чтобы единица физической величины была общепринята, узаконена и выступала основой при формировании производных единиц.

Производные единицы физических величин образуются из основных, дополнительных и других производных путем разнообразных функциональных преобразований. Например, производная единица ом образована отношением производной единицы вольт к основной единице ампер.

Относительные и логарифмические единицы.Для оценки отношения или относительного изменения физических величин удобно использовать вспомогательные единицы: относительные и логарифмические.

Кратные и дольные единицы.Поскольку диапазоны значений измеряемых величин сегодня очень широки, то невозможно обойтись только исходными системными (основными, дополнительными и производными) единицами физических величин. Для удобства работы и записи результатов используются вспомогательные единицы физических величин – так называемые кратные (большие единицы и дольные (меньшие единицы), которые образованы путем введения приставок (коэффициентов) к исходным системным единицам.

Таблица 1

Основные и дополнительные единицы физических величин

Физическая величина	Наименование единицы	Обозначение
		русское	между-народное
Основные
Длина	метр	м	m
Масса	килограмм	кг	kg
Время	секунда	с	s
Сила электрического тока	ампер	А	А
Термодинамическая температура	кельвин	К	К
Количество вещества	моль	моль	mol
Сила света	кандела	кд	cd
Дополнительные
Плоский угол	радиан	рад	rad
Телесный угол	стерадиан	ср	sr

Стандартизация

Всего несколько десятилетий назад в мире не было единообразия единиц физических величин. В разных странах, в разных отраслях науки, техники, промышленного производства, в сельском хозяйстве, в торговле использовалось множество различных единиц для оценки одних и тех же величин. Такое национальное (территориальное), отраслевое и межотраслевое разнообразие единиц сильно затрудняло сопоставление и использование результатов научных исследований, технических измерений и расчетов, выполненных разными специалистами, и/или в разных направлениях, и/или в разных странах; создавало чрезвычайные трудности и серьезно тормозило развитие мирового сообщества.

В середине XX в. Международный комитет мер и весов подготовил и принял новую систему единиц, которая была названа Международной системой единиц – System International (SI). В 1963 г. в СССР был введен ГОСТ 9867–61, в соответствии с которым эта система была рекомендована для использования в нашей стране.

Сегодня средства измерений разрабатывают и серийно выпускают тысячи различных отечественных и зарубежных организаций и фирм, профессионально применяют миллионы специалистов, так или иначе использует в своей повседневной деятельности практически все взрослое население Земли. В настоящее время доля затрат на измерительную технику, обслуживание и метрологическое обеспечение в промышленном производстве достигает 25...30 % стоимости основных фондов. Причем чем выше культура производства на предприятии, тем выше доля таких затрат. В этих условиях чрезвычайно важно обеспечить единство измерений.

Законодательной основой стандартизации является система Государственных стандартов (ГОСТ). В настоящее время в нашей стране действуют десятки тысяч Государственных стандартов. Они отражают важнейшие характеристики и свойства разнообразной продукции, особенности методик измерений, характеристики СИ.

Основные цели и задачи стандартизации:

• определение единой системы требований и показателей качества продукции, характеристик сырья и ресурсов; методов и средств
контроля и испытаний;

• обеспечение единства и необходимой достоверности измерений в стране и мире, создание и совершенствование эталонов единиц
ФВ, методов и средств измерений высшей точности;

• развитие унификации промышленной продукции, повышение уровня взаимозаменяемости, повышение эффективности эксплуатации и ремонта, обеспечение необходимого уровня надежности;

• установление рационального многообразия видов, марок, типоразмеров оборудования;

• установление единой системы документации, единой терминологии, обозначений, методов расчетов.

Под метрологическим обеспечением понимается наличие и грамотное использование эталонов, мер, аттестованных образцовых СИ, узаконенных методов поверки, необходимой нормативно-технической документации (стандартов, методических указаний, инструкций), квалифицированных специалистов-метрологов.

Стандарт – это нормативно-технический документ, устанавливающий перечень норм, правил, требований к объекту (стандартизации) и утвержденный уполномоченным органом (например, Госстандартом РБ).

Метрологическая аттестация – это исследование СИ, выполняемое метрологическим органом для определения метрологических характеристик СИ и оформление соответствующего документа (сертификата) с указанием полученных результатов.

Поверка СИ – нахождение метрологическим органом (службой) погрешностей СИ, установление соответствия значений погрешностей классу точности СИ и определение его пригодности к применению. Поверку, как правило, осуществляют путем сравнения результатов преобразования испытуемого СИ с результатами преобразования образцового (более точного) СИ. Для частного, но весьма распространенного случая поверки измерительного прибора, показания поверяемого прибора сличают с показаниями более точного прибора. Погрешность образцового СИ должна быть по крайней мере втрое меньше погрешности испытуемого СИ при одних и тех же условиях эксперимента.

Процедура поверки СИ не эквивалентна процедуре калибровки. Калибровка – способ уменьшения систематических погрешностей СИ перед измерениями, т.е. коррекция (исправление) его характеристики преобразования. В общем случае при калибровке поочередно подают на вход СИ образцовую измеряемую величину нулевого значения (например, закоротив вход СИ) и затем образцовую измеряемую величину значением, равным верхнему пределу диапазона измерения (с помощью специальной меры, иногда встроенной в СИ). Зафиксировав результаты преобразования (показания прибора) образцовых величин, можно в дальнейшем корректировать результаты преобразований в процессе выполнения измерений. Такая процедура позволяет уменьшить как аддитивную, так и мультипликативную погрешности.

Эталоны

Эталон –это СИ, обеспечивающее хранение и/или воспроизведение единицы физической величины с целью передачи ее размера другим СИ (образцовым или рабочим) и официально утвержденное. Реально эталон может представлять собой комплекс, состоящий из нескольких различных СИ. На рис. 2 приведена схема передачи размера единицы физической величины.

В этой метрологической цепи высшим звеном является международный эталон. Эти эталоны хранятся в Международном бюро мер и весов (Франция). Государственные эталоны – это эталоны, обеспечивающие наивысшую в данной стране точность. Хранение эталонов – сложнейшая научно-техническая задача, поэтому они хранятся в метрологических институтах.

Эталоны, воспроизводящие одну и ту же единицу ФВ, в зависимости от точности воспроизведения единицы делятся на первичные эталоны (обеспечивающие наивысшую в данной стране точность) и вторичные (образованные сличением с первичным и служащие для организации поверочных работ). Первичный эталон служит для воспроизведения единицы с наивысшей для данной страны точностью. Специальный эталон предназначен для воспроизведения единицы в особых условиях, когда первичный эталон не может быть использован. Первичные и специальные эталоны утверждаются в качестве государственных и являются исходными для каждой страны.

Рис. 2. Схема передачи размера единицы физической величины

Вторичные эталоны необходимы для обеспечения поверочных работ и сохранности первичных эталонов и делятся на эталоны-свидетели, эталоны-копии, эталоны сравнения и рабочие эталоны.

Эталоны-свидетели предназначены для поверки государственного эталона и замены его в случае утраты. Эталоны-копии и эталоны сравнения используются для взаимного сличения. Рабочие эталоны необходимы для передачи размера единицы образцовым СИ высшей точности (например, образцовым мерам).

Образцовые СИ служат для поверки по ним рабочих мер, которые, в свою очередь, предназначены как для поверки СИ, так и для измерений в различных задачах. Классы точности образцовых мер достаточно высоки. Например, предельно допустимое значение относительной погрешности образцовой катушки сопротивления может составлять 0,0005 %.

Рабочие СИ применяются для разнообразных измерений, не связанных с поверкой. В электрических измерениях используются рабочие меры ЭДС, сопротивления, индуктивности, емкости и др.

Точность измерений

Точность измерений –качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины.

Количественным выражением качественного понятия «точность» является погрешность. Следует различать погрешность результата измерения (это более общее понятие) и погрешность инструмента.