ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ
3.1. Роль измерений в электротехнике
В любой области знаний измерения имеют исключительно большое значение, но особенно важны они в электротехнике.
Механические, тепловые, световые явления человек ощущает при помощи своих органов чувств. Мы, хотя и приблизительно, можем оценить размеры предметов, скорость их движения, яркость светящихся тел. Долгое время именно так люди изучали звездное небо.
Но мы с вами совершенно одинаково реагируем на проводник, ток которого равен 10 мА или 1 А (т. е. в 100 раз больше).
Мы видим форму проводника, его цвет, но наши органы чувств не позволяют оценить величину тока. Точно так же мы совершенно равнодушны к магнитному полю, созданному катушкой, электрическому полю между обкладками конденсатора. Медицина установила определенное влияние электрических и магнитных полей на организм человека, но это влияние мы не ощущаем, и величину электромагнитного поля оценить не можем.
Исключение составляют только очень сильные поля. Но и здесь неприятное покалывание, которое можно заметить, гуляя око высоковольтной линии передачи, не позволит нам даже приблизительно оценить величину электрического напряжения в линии.
Все это заставило физиков и инженеров с первых шагов исследования и применения электричества пользоваться электроизмерительными приборами.
Приборы - глаза и уши инженера-электрика. Без них он глух и слеп и совершенно беспомощен. Миллионы электроизмерительных приборов установлены на заводах, в научно-исследовательских лабораториях. В каждой квартире тоже есть измерительный прибор - электрический счетчик.
Показания (сигналы) электроизмерительных приборов используют для оценки работы различных электротехнических устройств и состояния электрооборудования, в частности состояния изоляции. Электроизмерительные приборы отличаются высокой чувствительностью, точностью измерений, надежностью и простотой исполнения.
Успехи электроприборостроения привели к тому что его услугами стали пользоваться и другие отрасли. Электрические методы стали применять для определения размеров, скоростей, массы, температуры. Появилась даже самостоятельная дисциплина “Электрические измерения неэлектрических величин”.
Показания электроизмерительных приборов можно передавать на дальние расстояния (телеизмерение), они могут использоваться для непосредственного воздействия на производственные процессы (автоматическое регулирование); с их помощью регистрируют ход контролируемых процессов, например путем записи на ленте и т.д.
Применение полупроводниковой техники существенно расширило применение электроизмерительных приборов.
Измерить какую-либо физическую величину - значит найти ее значение опытным путем с помощью специальных технических средств.
Стендовые испытания новейшего оборудования немыслимы без электрических измерений.Так, при испытании турбогенератора мощностью 1200 МВт на заводе “Электросила” измерения производились в 1500 его точках.
Развитие электроизмерительных приборов привело к использованию в них микроэлектроники, что позволяет измерять физические величины с погрешностью не более 0,005-0,0005 %.
3.2. Основные понятия, термины и определения
Результаты теоретической деятельности без проверки экспериментом недостоверны. Измерительная техника при эксперименте дает результаты, которые указывают на качество и количество продукции, правильность ведения технологических процессов, распределения, потребления и изготовления. При этом электрические измерения за счет малого потребления энергии, возможности передачи измерительных величин на расстояние, большой скорости измерений и передачи, а также высокой точности и чувствительности оказались предпочтительнее.
Электрические измерения и приборы, методы и средства обеспечения их единства, способы достижения требуемой точности - все это относится к метрологии, а принципы и методы установления оптимальных норм и правил взаимодействия - к стандартизации.
В Российской Федерации стандартизация и метрология объединены в единой государственной службе - Государственном комитете стандартов. В 1963 г. ГОСТ 9867-61 ввел Международную систему единиц (СИ) на базе метра (м), килограмма (кг), секунды (с), ампера (А), кельвина (К) и канделы (кд).
Вопросы электрических измерений и приборов проще воспринимаются, если известны содержание терминов и определений.
Метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства, способах достижения требуемой точности.
Измерение - нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.
Результат измерения - значение физической величины, найденной путем измерения.
Мера - средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера (например, единицы измерения света - кд).
Измерительный преобразователь - средство измерений для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки (или хранения), но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Первичный измерительный преобразователь - датчик.
Измерительный прибор - средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.
3.3. Методы измерений. Погрешность измерений
Для различных измеряемых электрических величин существуют свои средства измерений, так называемые меры. Например, мерами ЭДС служат нормальные элементы, мерами электрического сопротивления - измерительные резисторы, мерами индуктивности измерительные катушки индуктивности, мерами электрической емкости - конденсаторы постоянной емкости и т. д.
На практике для измерения различных физических величин применяют различные методы. Последние в зависимости от способа получения результата делятся на прямые и косвенные. При прямом измерении значение величины получают непосредственно из опытных данных. При косвенном измерении искомое значение величины находят путем подсчета с использованием известной зависимости между этой величиной и величинами, получаемыми на основании прямых измерений. Так, определить сопротивление участка цепи можно путем измерения протекающего по нему тока и приложенного напряжения с последующим подсчетом этого сопротивления из закона Ома. Наибольшее распространение в электроизмерительной технике получили методы прямого измерения, так как они обычно проще и требуют меньших затрат времени.
В электроизмерительной технике используют также метод сравнения, в основе которого лежит сравнение измеряемой величины с воспроизводимой мерой. Метод сравнения может быть компенсационным и мостовым. Примером применения компенсационного метода служит измерение напряжения путем сравнения его значения со значением ЭДС нормального элемента. Примером мостового метода является измерение сопротивления с помощью четырех-плечной мостовой схемы. Измерения компенсационным и мостовым методами очень точные, но для их проведения требуется более сложная измерительная техника.
При любом измерении неизбежны погрешности, т. е. отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины, которые обусловливаются, с одной стороны, непостоянством параметров элементов измерительного прибора, несовершенством измерительного механизма (например, наличием трения и т. д.), влиянием внешних факторов (наличием магнитных и электрических полей), изменением температуры окружающей среды и т. д., а с другой стороны - несовершенством органов чувств человека и другими случайными факторами. Разность между показанием прибора АП и действительным значением измеряемой величины AD выражается в единицах измеряемой величины и называется абсолютной погрешностью измерения:
Величина, обратная по знаку абсолютной погрешности, носит название поправки:
Для получения истинного значения измеряемой величины необходимо к измеренному значению величины прибавить поправку:
Для оценки точности произведенного измерения служит относительная погрешность δ, которая представляет собой отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины, выраженное обычно в процентах: