Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения

Подождите немного. Документ загружается.

ВОЕННЫЙ АРТИЛЛЕРИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

А.М. ГОЛИК, В.А. КОНДРАШИН

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ

ИЗМЕРЕНИЯ

Издание университета - 2002

Введение

С прогрессом науки и техники происходит неуклонное

расширение сферы процессов и явлений, охватываемых из-

мерениями, быстро возрастает число и разнообразие изме-

ряемых величин и характеристик, развиваются и усложня-

ются методы получения, обработки и использования

информации полученной в результате измерений.

Резко усложнилась измерительная техника, которая

оснащается вычислительными и управляющими устройствами,

агрегатируется и автоматизируется. Она широко использу-

ется при разработке, создании и эксплуатации многих

технических объектов и систем [1].

Измерительная техника является не только инструмен-

том для количественного оценивания информации, но она и

сама играет важную роль в процессах познания. Так, при

экспериментальных исследованиях явлений она позволяет

определить соответствующие закономерности. Чем меньше

известно об исследуемых процессах или объектах, тем су-

щественнее оказываются результаты измерений.

Многие природные процессы и явления можно наблюдать

и исследовать только с помощью средств измерений. Это

относится ко всем областям исследования электрических и

электромагнитных полей. С другой стороны результаты

теоретических исследований могут быть подтверждены или

опровергнуты только путем соответствующих измерений,

причем нередко адекватность используемых средств изме-

рений оказывается решающим фактором. При этом требуют

решения все более сложные задачи обеспечения точности

измерений, от которой зависят сегодня своевременность

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

и правильность принятия решения при определении техни-

ческого состояния вооружения и военной техники (ВВТ).

В сочетании с возросшими потребностями Вооруженных

сил в оснащении современным и надежным радиоэлектронным

вооружением и вычислительной техникой это обстоятельст-

во выдвинуло проблему метрологического обеспечения экс-

плуатации ВВТ в ранг важнейших проблем. Под метрологи-

ческим обеспечением понимают установление и применение

научных и организационных основ, технических средств,

правил и норм, необходимых для достижения единства и

требуемой точности измерений [7].

В нынешних социально политических условиях основ-

ные работы по поддержанию и восстановлению работоспо-

собности ВВТ переносятся на войсковые подразделения.

Это обстоятельство обуславливает соответствующие требо-

вания к подготовке выпускников ВВУЗов практически всех

специальностей. Главное внимание должно быть уделено

формированию знаний, навыков и умений выпускников по

контролю и диагностике технического состояния ВВТ с по-

мощью войсковых средств измерений.

Неправильная эксплуатация средств измерений в вой-

сковой практике приводит к снижению эффективности функ-

ционирования образцов ВВТ, а нередко и к авариям. В

связи с этим выпускники высших военный учебных заведе-

ний должны обладать знаниями не только основ построения

измерительных приборов, но и навыками эксплуатации со-

временных сложных средств измерений.

В настоящее издание вошли материалы, посвященные

описанию принципов построения современных электро- и

радиоизмерительных приборов, а также рассмотрению ос-

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

новных методов измерений и причин снижения их точности.

Пособие подготовлено коллективом авторов в составе

доктора технических наук, старшего научного сотрудника,

полковника Голика А.М.(введение, разделы 1 - 7 и заклю-

чение) и кандидата технических наук, подполковника Кон-

драшина В.А. (разделы 1, 2.1, 2.2 и 2.3).

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

1. Методы и погрешности измерений

1.1. Основные понятия и определения

Физическими величинами называют свойства объектов

допускающие количественное выражение. При измерениях

Физические величины именуют измеряемыми величинами. Из-

мерением называют процесс нахождения значения физиче-

ской величины опытным путем с помощью специальных тех-

нических средств - средств измерений (СИ). Под объектом

измерения понимают материальный объект, у которого хотя

бы одна характеристика подвергается измерению. В прак-

тику прочно вошли измерения не только постоянных физи-

ческих величин, но и более сложных характеристик объек-

тов. Поэтому в этих случаях говорят об измеряемых

характеристиках, понимая под характеристикой количест-

венное описание некоторого свойства объекта.

Целью измерения характеристик может быть получение

не просто значений величин, а сложных описаний зависи-

мостей свойств объектов в областях частоты, времени,

пространства и других переменных. Такие описания имеют

своеобразие, проявляющееся в таких атрибутах функций,

как кривизна, крутизна, протяженность и форма. Даже при

измерении постоянных величин вследствие характерных для

радиоэлектронных измерений динамических процессов упо-

мянутые атрибуты выступают в качестве характеристик,

влияющих на результат и погрешности измерения.

Конкретная характеристика объекта измерения может

быть для данного средства измерения либо измеряемой,

либо влияющей на точность или даже на возможность изме-

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

рения.

Например: кроме объекта измерений на точность СИ

оказывает влияние также внешняя среда, под которой по-

нимается совокупность материальных объектов, не являю-

щихся объектами или СИ, но оказывающих влияние на точ-

ность или возможность измерения.

Основной технической характеристикой СИ является

его погрешность. Погрешность СИ есть количественное вы-

ражение отличия показания СИ от истинного значения из-

меряемой характеристики объекта. Показание СИ – значе-

ние измеряемой характеристики объекта, нормально

определяемое по выходной информации СИ и выраженное в

принятых единицах физической величины.

Большое разнообразие измеряемых величин, условий

проведения измерений и способов получения результата

приводит к чрезвычайно большому разнообразию измерений.

Следует отметить, что далеко не всегда физические вели-

чины измеряются непосредственно. Численные значения

этих величин часто определяют путем обработки результа-

тов измерений других величин. В зависимости от вида

функциональной связи между искомой и непосредственно

измеряемой величинами и от способа получения числового

значения измеряемой величины все измерения в соответст-

вии с разделяются на прямые, косвенные и совокупные и

совместные [2].

Прямым называется измерение, при котором искомое

значение измеряемой величины находят непосредственно из

опытных данных. Примерами прямых измерений являются из-

мерение сопротивления омметром, измерение мощности

ваттметром, измерение давления манометром и т.д.

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

Косвенным называется измерение, при котором искомое

значение величины находят на основании известной зави-

симости между этой величиной и величинами, подвергаемы-

ми прямым измерениям. При этом числовое значение иско-

мой величины определяется по формуле

z = F(α

, α

,..., α

)

(1.1)

где z – значение искомой величины, α

, α

,..., α

–

значения непосредственно измеряемых величин.

Пример косвенного измерения – определение значения

активного сопротивления R резистора на основе прямых

измерений силы тока I через резистор и падения напряже-

ния U на нем по формуле R = U/I.

Косвенные измерения сложнее прямых, однако они ши-

роко применяются в практике либо потому, что прямые из-

мерения практически не выполнимы, либо потому, что кос-

венное измерение позволяет получить более точный

результат по сравнению с прямым измерением.

К совокупным относятся производимые одновременно

измерения нескольких одноименных величин, при которых

искомые значения величин находят решением системы урав-

нений, получаемых при прямых измерениях различных соче-

таний этих величин.

Совместные измерения – это производимые одновремен-

но измерения двух или нескольких неодноименных величин

для нахождения зависимости между ними.

Числовые значения искомых величин при совокупных и

совместных измерениях определяются из системы уравне-

ний, связывающих значения искомых величин со значениями

величин, измеренных прямым (или косвенным) способом.

Любые измерения представляют собой физический экс-

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

перимент, выполнение которого основано на использовании

тех или иных физических явлений. Совокупность физиче-

ских явлений, на которых основаны измерения, называется

принципом измерения.

Совокупность правил и приемов использования принци-

пов и средств измерений составляет метод измерения.

Различные методы измерений отличаются друг от друга

организацией сравнения измеряемой величины с единицей

измерения.

1.2. Классификация методов измерений

Классификация методов измерений производится по ос-

новным измерительным операциям, физическому принципу,

режиму взаимодействия СИ с объектом измерения, виду

применяемых СИ, виду хранителя единицы физической вели-

чины.

Стандартизованной является классификация методов

измерений по виду хранителя единицы физической величи-

ны. В соответствии с этим признаком различают метод не-

посредственной оценки и метод сравнения с мерой. На

рис. 1.1. приведена стандартизированная классификация

методов измерения в соответствии с [2].

При реализации метода непосредственной оценки значение

измеряемой величины определяют непосредственно по от-

счетному устройству измерительного прибора - хранителя

физической величины. На этом методе основаны все пока-

зывающие (стрелочные) приборы (вольтметры, амперметры,

ваттметры, счетчики электрической энергии). Точность

измерений по методу непосредственной оценки в большин-

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

стве случаев невелика и ограничивается точностью приме-

няемых измерительных приборов. Достоинством метода яв-

ляется оперативность получения результатов измерений,

что важно на практике.

Метод измерения

Методы непосредственных Методы сравнения

измерений

Метод Дифференциальный

противопоставления метод

Метод замещения Нулевой метод

Метод совпадений

Рис. 1.1.Классификация методов

измерения

Метод сравнения с мерой – это такой метод измере-

ний, в котором измеряемую величину сравнивают с величи-

ной, воспроизводимой меры (измерение напряжения посто-

янного тока на компенсаторе сравнения с ЭДС нормального

элемента).

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

Метод сравнения с мерой, в котором измеряемая вели-

чина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно

воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого

устанавливается соотношение между этими величинами, на-

зывается методом противопоставления.

Дифференциальный метод – это метод сравнения с ме-

рой, в котором на измерительный прибор воздействует

разность измеряемой величины и известной величины, вос-

производимой мерой. Этот метод позволяет получать ре-

зультаты измерений с высокой точностью даже в случае

применения относительно неточных измерительных прибо-

ров, если с большой точностью воспроизводится известная

величина.

Указанный метод широко используется, в частности,

при поверке средств измерений (например, измерительных

трансформаторов тока и напряжения). На нем основана ра-

бота очень распространенных в электроизмерительной тех-

нике мостов постоянного и переменного токов.

Эффект повышения точности результатов измерений,

достигаемый при дифференциальном методе, оказывается

тем значительнее, чем ближе значение меры к истинному

значению измеряемой величины. В том случае, когда ре-

зультирующий эффект воздействия величин на прибор срав-

нения доводят до нуля, дифференциальный метод измерения

превращается в нулевой.

В нулевом методе измерений используемая мера должна

быть изменяемой (регулируемой), а прибор сравнения вы-

полняет функции индикатора равенства нулю результирую-

щего воздействия измеряемой величины и меры. Нулевой

метод позволяет получить высокие точности измерений и

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.