Лекция7. Методы измерений

Для точных измерений величин в метрологии разработаны приемы использования принципов и средств измерений, применение которых позволяет исключить из результатов измерений ряд систематических погрешностей и тем самым освобождает экспериментатора от необходимости определять многочисленные поправки для их компенсации, а в некоторых случаях вообще является предпосылкой получения сколько-нибудь достоверных результатов. Многие из этих приемов используют при измерении только определенных величин, однако существуют и некоторые общие приемы, названные методами измерения.

Наиболее просто реализуется метод непосредственной оценки, заключающийся в определении величины непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия, например взвешивание на циферблатных весах, определение размера детали с помощью микрометра или измерение давления пружинным манометром.

Измерения с помощью этого метода проводятся очень быстро, просто и не требуют высокой квалификации оператора, поскольку не нужно создавать специальные измерительные установки и выполнять какие-либо сложные вычисления. Однако точность измерений чаще всего оказывается невысокой из-за погрешностей, связанных с необходимостью градуировки шкал приборов и воздействием влияющих величин (непостоянство температуры, нестабильность источников питания и пр.).

При проведении наиболее точных измерений предпочтение отдается различным модификациям метода сравнения с мерой, при котором измеряемую величину находят сравнением с величиной, воспроизводимой мерой. Результат измерения либо вычисляют как сумму значения используемой для сравнения меры и показания измерительного прибора, либо принимают равным значению меры.

Метод сравнения с мерой, заключающийся в том, что измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на измерительный прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между ними, называется методом противопоставления. Примером этого метода является взвешивание груза на равноплечих весах, когда измеряемая масса определяется как сумма массы гирь, ее уравновешивающих. Применение метода противопоставления позволяет значительно уменьшить воздействие на результаты измерений влияющих величин, поскольку они более или менее одинаково искажают сигналы измерительной информации как в цепи преобразования измеряемой величины, так и в цепи преобразования величины, воспроизводимой мерой. Отсчетное устройство прибора сравнения реагирует на разность сигналов, вследствие чего эти искажения в некоторой степени компенсируют друг друга.

Разновидностью метода сравнения с мерой является также нулевой метод измерения, который состоит в том, что подбором размера воспроизводимой мерой величины или путем ее принудительного изменения эффект воздействия сравниваемых величин на прибор сравнения доводят до нуля. В этом случае компенсация воздействий влияющих величин оказывается более полной, а значение измеряемой величины принимается равным значению меры.

При дифференциальном методе измерения на измерительный прибор (не обязательно прибор сравнения) подается непосредственно разность измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой. Этот метод может быть использован, конечно, только в тех случаях, когда просто и точно реализуется операция вычитания величин (длины, перемещения, электрические напряжения). Дифференциальный метод неприменим при измерении таких величин, как температура или твердость тел.

К разновидностям метода сравнения с мерой относится и метод замещения, широко применяемый в практике точных метрологических исследований. Сущность метода в том, что измеряемая величина замещается в измерительной установке некоторой известной величиной, воспроизводимой мерой. Замещение может быть полным или неполным, в зависимости от чего говорят о методе полного или неполного замещения. При полном замещении показания не изменяются и результат измерения принимается равным значению меры. При неполном замещении для получения значения измеряемой величины к значению меры следует прибавить величину, на которую изменилось показание прибора.

Преимущество метода замещения - в последовательном во времени сравнении измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой. Благодаря тому, что обе эти величины включаются одна за другой в одну и ту же часть измерительной цепи прибора, точностные возможности измерений значительно повышаются по сравнению с измерениями, проводящимися с помощью других разновидностей метода сравнения, где несимметрия цепей, в которые включаются сравниваемые величины, приводит к возникновению систематических погрешностей. Способ замещения применяется при электрических измерениях с помощью мостов переменного тока, условие равновесия которых определяется не только значениями величин, воспроизводимых элементами плеч моста, но также и влиянием паразитных токов, емкостей, индуктивностей и рядом других факторов. Эти причины вызывают появление погрешностей, которые могут быть исключены, если проводить измерения методом замещения. Для этого вначале мост уравновешивается с включенной в его цепь измеряемой величиной, которая затем замещается известной величиной, и мост уравновешивается вновь. Если при этом никаких изменений ни в мосте, ни во внешних условиях не происходит, то указанные выше погрешности исключаются почти полностью.

Одним из общих методов измерений является метод совпадений, представляющий собой разновидность метода сравнения с мерой. При проведении измерений методом совпадений разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.

По принципу метода совпадений построен нониус, входящий в состав ряда измерительных приборов. Так, например, шкала нониуса штангенциркуля имеет десять делений через 0.9 мм. Когда нулевая отметка шкалы нониуса оказывается между отметками основной шкалы штангенциркуля, это означает, что к целому числу миллиметров необходимо добавить число десятых долей миллиметра, равное порядковому номеру совпадающей отметки нониуса.

В рамках перечисленных выше методов измерений в метрологической практике и в общем приборостроении часто применяются специальные приемы для исключения самих источников систематических погрешностей или их компенсации. Рассмотрим наиболее употребительные из этих приемов.

Параметрическая стабилизация очень широко применяется при ответственных измерениях. Этот прием используют для поддержания в заданных пределах температуры и влажности окружающей среды, напряжения питания и других. Наиболее распространены такие способы параметрической стабилизации, как термостатирование приборов, защита от воздействия вибраций, использование эффективных стабилизаторов в цепях электропитания приборов, экранирование приборов для защиты их от воздействия посторонних электрических, магнитных, радиационных и других полей. Применение этих способов иногда позволяет избежать введения в результаты измерения поправок.

Параметрическая стабилизация очень широко применяется при ответственных измерениях. Этот прием используют для поддержания в заданных пределах температуры и влажности окружающей среды, напряжения питания и других. Наиболее распространены такие способы параметрической стабилизации, как термостатирование приборов, защита от воздействия вибраций, использование эффективных стабилизаторов в цепях электропитания приборов, экранирование приборов для защиты их от воздействия посторонних электрических, магнитных, радиационных и других полей. Применение этих способов иногда позволяет избежать введения в результаты измерения поправок.

Способ компенсации постоянных и периодических погрешностей по знаку. При реализации этого способа процесс измерения строится таким образом, что постоянная систематическая погрешность входит в результат измерения один раз с одним знаком, а другой раз - с другим. Тогда среднее из двух полученных результатов оказывается свободным от постоянной погрешности.

Способ вспомогательных измерений применяется в тех случаях, когда воздействие влияющих величин на результаты измерений вызывает большие погрешности измерений. Тогда идут на заведомое усложнение схемы измерительной установки, включая в нее элементы, воспринимающие значение влияющих величин, автоматически вычисляющие соответствующие поправки и вносящие их в полезные сигналы, которые поступают на отсчетные или регулирующие устройства.

Лекция 8. Меры и измерительные преобразователи

Меры

Общие сведения. К мерам относят эталоны, образцовые и ра­бочие меры. Эталоны, занимающие особое место среди мер, пред­назначены для воспроизведения и (или) хранения единиц физи­ческих величин с целью передачи их размера другим средствам измерений.

Образцовые и рабочие меры. По назначению меры делят на образцовые и рабочие. Меры, утвержденные в качестве образцо­вых, предназначаются для поверки и градуировки рабочих средств измерений. Рабочие меры служат для измерений.

По точности воспроизведения физической величины образцо­вые меры бывают 1, 2 и 3-го разрядов, причем наименьшая по­грешность воспроизведения у меры 1-го разряда. По допускаемой погрешности воспроизведения значения физической величины рабочие меры относят к различным классам точности.

По количеству воспроизводимых размеров величины меры делят на однозначные и многозначные и наборы мер. К однознач­ным мерам относят измерительные катушки сопротивления, ка­тушки индуктивности и взаимной индуктивности, измерительные конденсаторы постоянной емкости, нормальные элементы и ста­билизированные источники напряжения.

Измерительные катушки сопротивления. Катушки сопротив­ления выполняют на номинальное значение сопротивления 10^±n Ом, где n — целое число. Они имеют четыре зажима, два из которых называют токовыми, а два — потенциальными. Между потенциальными зажимами сопротивление катушки соответству­ет номинальному значению при включении катушки в цепь с по­мощью токовых зажимов. Обмотку катушки сопротивления вы­полняют из манганина, имеющего большое удельное электриче­ское сопротивление при малом температурном коэффициенте сопротивления, малой термо-ЭДС в паре с медью и при высокой стабильности своих свойств. Катушки сопротивления могут иметь класс точности от 0, 0005 до 0, 1 при номинальном сопротивлении от 10^-5 до 10¹⁰ Ом.

При работе в цепях переменного тока полное сопротивление измерительной катушки меняется при изменении частоты тока из-за собственной емкости С и индуктивности L. Эквивалентная электрическая схема катушки сопротивления дана на рис. 5-1. Степень реактивности катушки характеризуют постоянной вре­мени т— (L/R) —RC, где R — сопротивление катушки на посто­янном токе. Постоянная времени может быть от 0, 5× 10^-8 до 2, 5× 10^-6 с.

Измерительные катушки индуктивности и взаимной индук­тивности. Катушки индуктивности выполняют из проволоки, на­мотанной на каркас. Они выпускаются с номиналами от 10^_6 до 1 Гн классов точности от 0, 05 до 0, 5 и с верхним пределом частоты 100 кГц. Эквивалентная схема катушки индуктивности совпадает с эквивалентной схемой катушки сопротивлений (рис. 8-1), но с иным соотношением параметров.

Катушки взаимной индуктивности имеют две обмотки, намо­танные на общем каркасе. Катушки выпускают с номиналами от 10^-4 до 10^-2 Гн с допускаемой основной погрешностью ±0, 1% и с верхним пределом частоты 50 кГц.

Рис. 8-1. Эквивалентная схема катушки со­противления

Измерительные конденсаторы. В качестве однозначных мер электрической емкости применяют воздушные и газонаполненные конденсаторы и конденсаторы со слюдяной изоляцией. Емкость воздушных конденсаторов не превышает 10 000 пФ. Для работы в цепях высокого напряжения применяют газонаполненные кон­денсаторы. Измерительные конденсаторы имеют класс точности от 0, 005 до 1.

Нормальные элементы. Однозначной мерой ЭДС и напряже­ния является нормальный элемент, представляющий собой специ­альный химический источник электрической энергии, ЭДС которого известна с большой точностью и при неизменной внешней температуре отличается большим постоянством во времени. Вы­пускают нормальные элементы с насыщенным и ненасыщенным раствором электролита, отличающиеся своими характеристика­ми. Нормальные элементы могут иметь классы точности от 0, 0002 до 0, 02.

Стабилизированные источники напряжения. В настоящее время в качестве мер электрического напряжения часто применя­ют стабилизированные источники напряжения. Например, стаби­лизированный источник напряжения постоянного тока П36-1 при отклонении питающего напряжения на ±10% имеет выход­ное напряжение при номинальном токе нагрузки 1 мА постоянным в пределах (1, 5000±0, 0001) В.

К многозначным мерам относят измерительные генераторы, калибраторы напряжения, тока и фазового сдвига, измеритель­ные конденсаторы переменной емкости, вариометры — меры пе­ременной индуктивности, магазины сопротивлений, емкости, ин­дуктивности, взаимной индуктивности.

Измерительные генераторы. Измерительные генераторы — это источники переменного тока и напряжения, форма которых заранее известна, а частота, амплитуда и некоторые другие параметры могут регулироваться в определенных пределах и отсчитываться с гарантированной точностью. По назначению и спектру частот они делятся на генераторы синусоидальных сигналов (от сотых долей герца до 10¹⁰ Гц), шумовых сигна­лов, импульсных сигналов и сигналов специальной формы. Гене­раторы синусоидальных сигналов низких частот (до 10⁵ Гц) имеют погрешность установки частоты ±(0, 1—3)%, а погреш­ность установки напряжения ±(1—6)%.

Калибраторы. Калибраторы напряжения и тока — это стаби­лизированные источники напряжения или тока, дающие возмож­ность получать на их выходе ряд калиброванных, т. е. точно известных значений сигналов. Промышленность выпускает калиб­раторы постоянного и переменного тока и напряжения. Некоторые калибраторы снабжаются управляющим устрой­ством, позволяющим использовать их в составе автоматизиро­ванных поверочных устройств. Например, программируемый ка­либратор типа П320 выдает калиброванные напряжения от 10 мкВ до 1000 В и токи от 1 до 100 мА. Предел допускаемой ос­новной погрешности калибратора зависит от поддиапазона и, например, при напряжении на выходе калибратора 100 В состав­ляет всего ±5× 10^-3%. Калибратор напряжения переменного тока В1-9 имеет диапазон выходного напряжения 100мкВ — 100В с шестью поддиапазонами; диапазон частот выходного напряжения 20 Гц — 100 кГц с четырьмя поддиапазонами. Ос­новная погрешность, например, при напряжении на выходе ка­либратора 100В в частотном диапазоне 400Гц — 10кГц состав­ляет ±0, 05 %.

Калибратор фазовых сдвигов Ф5125 имеет диапазон уста­новки фазового сдвига между сигналами двух каналов от 0 до 359° с дискретностью 1°. Частота сигналов от 1 до 20 000Гц.

Примером измерительного конденсатора переменной емкости может служить конденсатор типа Р5076, диапазон изменения емкости которого 0—35 мкФ, класс точности 0, 2.

Магазины. В качестве многозначных мер получили распро­странение магазины сопротивлений, емкости и индуктивности, в которых с помощью соответствующих переключателей можно устанавливать необходимое значение величины, воспроизводи­мой мерой.

Магазины сопротивлений выпускают с диапазоном воспро­изведения значения величины от 10^-2 до 10¹⁰ Ом и классами точности от 0, 01 до 0, 2. Магазины емкости имеют диапазон вос­произведения 10^-3—10⁹ пФ и классы точности от 0, 005 до 1. Ма­газины индуктивности (взаимной индуктивности) выпускают с номинальными значениями индуктивности (взаимной индуктив­ности) старшей декады от 0, 001 до 10 000 мГн с числом декад от 1 до 5; класс точности магазинов от 0, 02 до 1.

Находят применение также наборы мер, например набор измерительных конденсаторов. Меры, входящие в набор, могут иметь разные классы точности и различный допустимый частот­ный диапазон.

Измерительные преобразователи

Общие сведения. Измерительные преобразователи представ­ляют собой многочисленную группу средств измерений, предна­значенных для выполнения различных измерительных преобразо­ваний. В зависимости от допускаемой погрешности для измери­тельных преобразователей устанавливают соответствующий класс точности.

Преобразовате­ли электрических величин, имеют достаточно широкое приме­нение. К ним относятся масштабные преобразователи.

Масштабные измерительные преобразователи. Масштабным называют измерительный преобразователь, предназначенный для изменения величины в заданное число раз. К ним относят шунты, делители напряжения, измерительные усилители, измери­тельные трансформаторы тока и напряжения.

Шунты. Для уменьшения силы тока в определенное число раз применяют шунты. Например, такая задача возникает в том случае, когда диапазон показаний амперметра меньше диапазона изменения измеряемого тока.

Шунт представляет собой резистор, включаемый параллель­но средству измерений, как показано на рис. 8-2. Если сопротив­ление шунта R_m = R/(n— I), где R — сопротивление средства измерений; n = I₁/I₂ — коэффициент шунтирования, то ток I₂ в n раз меньше тока I₁.

Рис. 8-2. Схема включения измеритель­ного механизма с шунтом

Шунты изготавливают из манганина. В амперметрах для измерения небольших токов (до 30 А) шунты обычно помещают в корпусе прибора, для измерения больших токов (до 7500 А) применяют наружные шунты. Шунты могут быть многопредель­ными, т. е. состоящими из нескольких резисторов, или имеющими несколько отводов, что позволяет изменять коэффициент шунти­рования. Классы точности шунтов от 0, 02 до 0, 5.

Шунты применяют с различными средствами измерений, од­нако в основном их используют в цепях постоянного тока в магни­тоэлектрических приборах. Шунты с измерительными механизмами других типов не применяют из-за малой чувстви­тельности этих механизмов, что приводит к существенному увели­чению размеров шунтов и потребляемой ими мощности. Кроме того, при использовании шунтов на переменном токе возникает дополнительная погрешность от изменения частоты, так как с из­менением частоты сопротивления шунта и измерительного меха­низма изменяются неодинаково.

Делители напряжения. Для уменьшения напряжения в опре­деленное число раз применяют делители напряжения, которые в зависимости от рода напряжения могут быть выполнены на элементах, имеющих чисто активное сопротивление, емкостное или индуктивное сопротивление. Серийно выпускают делители напряжения, предназначенные для расширения пределов измере­ний компенсаторов постоянного тока. Такие делители выполняют из резисторов на основе манганина. Они имеют нормированные коэффициенты деления и классы точности от 0, 0005 до 0, 01.

Для увеличения верхнего предела измерения средства изме­рений, например предела измерения вольтметра, имеющего внут­реннее сопротивление R_v, применяют добавочные резисторы, включаемые последовательно с вольтметром. При этом добавоч­ный резистор и вольтметр образуют делитель напряжения. Добавочные резисторы делают из манганиновой проволоки и используют в цепях постоянного и переменного тока (до 20 кГц). Они бывают встраиваемые внутрь прибора и наруж­ные. Серийно выпускают калиброванные добавочные резисторы, применяемые с любым прибором, имеющим указанный номинальный ток. Классы точности калиброванных добавочных резисторов от 0, 01 до 1. Добавочные резисторы применяют для преобразова­ния напряжения до 30 кВ. Номинальный ток добавочных резисто­ров от 0, 5 до 30 мА.

Измерительные усилители. Для усиления сигналов постоян­ного и переменного тока, т. е. для расширения пределов измере­ния в сторону малых сигналов, применяют измерительные усили­тели. По диапазону частот усиливаемых сигналов измерительные усилители бывают для постоянного тока и напряжения, низкоча­стотными (20 Гц — 200 кГц), высокочастотными (до 250 МГц) и селективными, усиливающими сигналы в узкой полосе частот. Измерительные усилители выполняют с нормированной погреш­ностью коэффициента передачи. Находят применение электрон­ные и фотогальванометрические усилители.

Применение электронных измерительных усилителей позво­ляет измерять сигналы от 0, 1 мВ и 0, 3 мкА с погрешностью от 0, 1 до 1%. При меньших усиливаемых токах и напряжениях применяют фотогальванометрические усилители. Для усиления токов и напряжений от источников с большим внутренним сопро­тивлением используют электрометрические усилители, отлича­ющиеся большим входным сопротивлением (до 10¹² Ом). Серийно выпускаемые измерительные усилители имеют унифицированный номинальный выходной сигнал 10 В или 5 мА.