РанневГ.Г.

Р22 Методы и средства измерений: Учебник для вузов /

Г. Г. Раннев, А. П. Тарасенко. — 2-е изд., стереотип. — М.: Издательский центр «Академия», 2004. — 336 с.

ISBN 5-7695-1914-2

Приведены основные понятия метрологии, рассмотрены методы и средства измерительной техники, а также особенности измерений различных электрических и неэлектрических величин. Рассмотрены устройства, метрологические характеристики, параметрические и генераторные преобразователи. Даны примеры создания многофункциональных информационно-измерительных приборов на базе микропроцессорной техники и ЭВМ. Изложены принципы построения измерительных информационных систем и особенности их проектирования.

Для студентов высших учебных заведений. Может быть полезен аспирантам, специализирующимся в области информационно-измерительной техники и технологий.

УДК 681.518.3 (075.8)

ББК 32.965

© Г. Г. Раннев, А. П. Тарасенко, 2003

© Образовательно-издательский центр «Академия», 2003

ISBN 5-7695-1914-2 ©Оформление. Издательский центр «Академия»2004

ПРЕДИСЛОВИЕ

Содержание предлагаемого учебника соответствует программе дисциплины «Методы и средства измерений», изучаемой студентами энергетических и приборостроительных специальностей высших учебных заведений.

В главе 1 кратко изложены основные понятия метрологии, приведены общепринятые классификации методов, средств и погрешностей измерений, рассмотрены вопросы оценки результатов измерений. В главе 2 представлены основные электромеханические и электронные измерительные приборы, их устройства, метрологические характеристики и применение. В главе 3 рассмотрены прямые и косвенные измерения таких физических величин, как ток, напряжение, мощность, энергия, фаза, частота, а также особенности этих измерений в различном диапазоне измеряемых величин и погрешности; в главе 4 — метрологическая основа магнитных измерений, средства измерений магнитного потока, магнитной индукции и напряженности магнитного поля, особенности этих измерений и погрешности; приведены статические и динамические характеристики магнитных материалов, методы и средства их измерений. В главе 5 представлены методы и средства измерений важных параметров цепей постоянного и переменного тока (сопротивления, емкости, индуктивности, добротности, тангенса угла диэлектрических потерь). Показано, что выбор технических средств осуществляется в зависимости от диапазона и погрешности измерений. В главе 6 рассмотрены принципы построения приборов для измерения различных неэлектрических величин, вопросы согласования параметров преобразователей при различных схемах их включения, погрешности системы преобразования; в главах 7 и 8 — различные параметрические и генераторные преобразователи, устройство и принципы их работы, основные метрологические характеристики, даны рекомендации по их применению. В главе 9 приведены примеры создания многофункциональных информационно-измерительных приборов, построенных на основе микропроцессорной техники и персональных ЭВМ; в главе 10 — принципы построения измерительных информационных систем (ИИС), особенности их проектирования, классификация, устройство и основные характеристики.

Предисловие, введение и главы 7 (7.4, 7.10, 7.11), 9, 10 написаны д-ром техн. наук, проф. Г. Г. Ранневым, главы 1 — 6, 7 (7.1 — 7.3, 7.5 — 7.9), 8 — доц., канд. техн. наук А. П. Тарасенко.

Подбор и изложение материала базируется на многолетнем опыте чтения лекций преподавателями кафедры информационных систем и измерительных технологий Московского ордена Трудового Красного знамени государственного открытого университета. Авторы выражают глубокую благодарность проф. В.И.Нефедову, доц. А.Ф.Агеевой и ст. преподавателю Е.А.Тишковской за активное участие в работе над учебником, а также проф. В.Н.Малиновскому за критические замечания и ценные советы при подготовке рукописи к изданию.

ВВЕДЕНИЕ

В различные исторические периоды состояние мер и измерительной техники находилось в прямой зависимости от хозяйственной деятельности, общественных, религиозных и других факторов жизни общества.

В Библии говорится: «Да будут у вас весы верные, гири верные, ефа верная и гин верный»... «В доме твоем не должна быть двоякая ефа, большая и меньшая»... «Гиря у тебя должна быть точная и правильная, чтобы продлились дни твои на Земле».

В Уставе князя Владимира о церковных судах 996 г. перечислены виды мер, порученных верховному надзору епископа с обязательствами «блюсти... городския и торговыя всяческие мерила (меры длины) и спуды (меры объема) и завесы (весы) и ставила (меры веса)». В «Уставе о церковных судах и о людях и о миерилах торговых» (1134—1135) великого князя Всеволода Мстиславовича указывались меры, подлежащие надзору Киевского митрополита и Новгородского епископа. Так, в Великом Новгороде непосредственно осуществляющими надзор являлись староста церкви Иоанна Предтечи на Опоках и двое «пошлых», т.е. зажиточных купцов корпорации, отсюда и «локоть Ивановский» и т.д.

О Иване Грозном немец-опричник Истаден писал: «Нынешний великий князь достиг того, что по всей Русской земле, по всей державе — одна вера, один вес, одна мера».

Наиболее ранняя попытка создания узаконенных мер имела место в Греции (VI век до н.э.), где мерой длины в то время был фут, равный приблизительно 297 мм.

В более позднее время попытки введения мер, обязательных и одинаковых для всей страны, имели место в Англии в 1001, 1215 и в 1494 гг., во Франции в 1321 г., в Австрии в 1438 г.

В начале XVIII в. по указу Петра I наблюдение за правильностью торговых весов и мер было возложено на Департамент торговли и мануфактур Министерства финансов, а также на чинов полиции.

В статье 1 §8 Конституции США (1778) было записано: «Конгресс имеет власть чеканить монеты, регулируя их соотношение к иностранным монетам, и утверждать эталоны весов и мер».

В 1790 г. Учредительным собранием Франции был поставлен вопрос о создании и узаконении единой и обязательной для всех контролируемой государственной системы мер. В 1799 г. на хранение в архив Французской республики были переданы платиновые эталоны метра и килограмма. Вся совокупность метрических мер, созданных и узаконенных во Франции в конце XVIII в., легла в основу метрической системы мер, некоторые единицы вошли в качестве основных в Международную систему единиц (СИ).

Механика была первой из наук, где применялись единицы измерения. В прошлом существовало несколько вариантов систем единиц, но постепенно общепринятой стала система СГС (сантиметр, грамм, секунда). Затем была разработана система МКС (метр, килограмм, секунда). Понятие системы единиц как совокупности основных и производных впервые было предложено немецким ученым К.Гауссом в 1832 г. Он измерил напряженность магнитного поля Земли, выразив ее через длину, силу, массу и время, и ввел первый фундаментальный набор единиц. В 1849 г. Ф. Кольрауш измерил в этих единицах сопротивление. В 1851 г. В.Вебер впервые ввел полную систему электрических величин. Они определены через механические единицы и служат основой современной системы электрических единиц.

В связи с бурным развитием науки об электричестве стали создаваться электроизмерительные приборы. В 1745 г. русский академик Г.В.Рихтер создал электрометр, в 1820 г. А.Ампер демонстрировал первый гальванометр, в 1837 г. О. де ля Рив изготовил и продемонстрировал тепловой электроизмерительный прибор, в 1881 г. Ф.Уппенборн изобрел электромагнитный прибор, в 1832 г. К. Гаусс изложил методику составления системы магнитных единиц, которую В.Вебер (1804—1891) дополнил электрическими единицами.

В 1867 г. в Париже был организован Международный комитет мер и весов, основная задача которого состояла в тщательном изучении метрических мер, сравнении их с другими мерами, выявлении и разработке возможностей использования их внутри каждой страны и для международных отношений.

В России таким учреждением было Депо образцовых мер и весов (1842), позднее — Главная палата мер и весов (1893), которую возглавил Д. И. Менделеев.

Электроизмерительные приборы, имеющие более 250-летнюю историю, обязаны своим развитием работам А. Вольта, А. Ампера, М. Фарадея. Им принадлежит первенство в создании приборов прямого преобразования — гальванометров, амперметров, вольтметров и т.д.

История создания приборов уравновешивающего преобразования начинается с 1841 г., когда были предложены мостовой метод измерения (мост Уитстона) и компенсационный метод измерения постоянного напряжения (компенсатор Поггендорфа). Кроме того, в XIX в. найдены основные принципы преобразования неэлектрических величин в электрические: термоэлектрический эффект (Т.Зеетек, У.Томсон), пьезоэффект, тензоэффект (О.Д.Хвольсон).

Дальнейшему развитию электроизмерительных приборов способствовало изобретение электронной лампы: в 1904 г. появился диод, а в 1910 г. — триод и пентод. Сочетание усилителей и выпрямителей с магнитоэлектрическим измерительным механизмом позволило создать электронные вольтметры, частотомеры, фазометры. Изобретение электронно-лучевой трубки в 1911 г. привело к созданию электронно-лучевого осциллографа, который стал универсальным электроизмерительным прибором. Развитие электроники привело к разработке автоматических компенсаторов и мостов. Таким образом, классическая электроизмерительная техника дополнилась приборами с автоматическим уравновешиванием и электронными измерительными приборами.

Широкое развитие получают дискретные методы измерений, воплощенные в приборах с цифровым отсчетом и регистрацией, значительно расширяются диапазоны измеряемых величин, в измерительной аппаратуре применяется интегральная техника. Усложнение технологии производства, развитие научных исследований привело к необходимости измерения и контроля сотен и тысяч параметров одновременно. Появился новый класс информационно-измерительной техники — измерительные информационные системы (ИИС), осуществляющие сбор, обработку, передачу, хранение, отображение и воздействие информации на объект исследования. Работы в области информационно-измерительной техники и измерительных технологий позволили в последние годы создать новый раздел теории и практики измерений — виртуальные и интеллектуальные измерительные приборы и системы.

Большой вклад в развитие информационно-измерительной техники и измерительных технологий в XX в. внесли русские ученые: Е.Г.Шрамков, А.В.Фремке, Ф.Е.Темников, М.П.Цапенко, К.Б.Карандеев, Д.И.Агейкин, П.П.Орнатский, П.В.Новицкий, Г.Д.Бурдун, Э.И.Цветков, Е.А.Чернявский, В.Н.Малиновский, Л. Ф. Куликовский, В.С.Гутников, В.М.Шляндин, Г. И.Кавалеров, В.А.Ильин, Г.Г.Раннев, Э.М.Шмаков и др.

ГЛАВА 1