Малиновский - Электрические измерения (с лабораторными работами) (1982)

Электрические измерения (с лабораторными работами): Учебник для техникумов. 1982. 

Изложены основы теории электрических измерений. Рассмотрены методы и средства измерений электрических, магнитных и неэлектрических величин. Приведены лабораторные работы по электрическим измерениям. Учебник написан в соответствии с новой учебной  программой по данному курсу. Предназначен для учащихся энергетических и  электромеханических техникумов неприборостроительных специальностей. Может быть полезен инженерно-техническим работникам.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящая книга является учебником по  электрическим измерениям для учащихся энергетических и  электромеханических техникумов неприборостроительных специальностей. В ней изложены основы теории  электрических измерений, методы измерений электрических, магнитных и неэлектрических величин, а также  рассмотрены технические средства, применяемые при  электрических измерениях.

Используемая до настоящего времени в качестве учебника для техникумов книга В. С. Попова  «Электрические измерения» была издана в 1974 г. и для своего времени достаточно хорошо отражала положение в  области электрических измерений. Однако с тех пор  произошли существенные изменения в области теории и практики электрических измерений. Это нашло  отражение и в новой программе курса «Электрические  измерения».

Предлагаемая вниманию читателей книга написана в соответствии с новой программой курса. В ней  отражены достижения современной науки в области  электрических измерений. Большое внимание уделено новым прогрессивным средствам измерения — электронным приборам, как цифровым, так и аналоговым, аналого-цифровым преобразователям,  информационно-измерительным системам. В книге приводятся технические характеристики новых освоенных промышленностью средств измерений. При изложении материала авторы опирались на новые ГОСТ в метрологии и  измерительной технике. По сравнению с книгой В. С. Попова  сокращен материал, посвященный описанию  электромеханических приборов. Книга содержит описание ряда  новых лабораторных работ. Данная книга представляет собой труд  преподавательского коллектива кафедры информационно-измерительной техники Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетического института.

В ней использован многолетний педагогический опыт авторов. Степень участия авторов в написании отдельных глав и параграфов книги (перечислены в алфавитном порядке): Р. М. Демидова-Панферова — гл. 5, кроме § 5.9, 5.10, и гл. 15, В. Н. Малиновский — предисловие, введение, гл. 6, 9, 11 и 17, В. С. Попов — гл. 1—3, 10, 16 и § 5.9, 5.10, В. Ф. Семенов —гл. 8, 14, К. Н. Цепляев — гл. 4, 7, 12, 13.

Авторы глубоко признательны рецензентам зав.  кафедрой Московского электротехнического института связи доктору техн. наук, проф. Б. П. Хромому и  старшему преподавателю Всесоюзного заочного  электромеханического техникума Л. П. Любимовой за полезные  советы и замечания, а также выражают благодарность старшему преподавателю А. А. Можейко за большую работу по редактированию книги.

ВВЕДЕНИЕ

Развитие науки и техники всегда было тесно  связано с прогрессом в области измерений. В физике,  механике и других науках именно измерения позволили  точно устанавливать зависимости, выражающие  объективные законы природы, поэтому эти науки именуются точными. Важное значение измерений для науки  подчеркивали многие ученые. Вот что они писали об этом1: Г. Галилей: «Измеряй все доступное  измерению и делай доступным все недоступное ему»; Д. И. Менделеев: «Наука начинается с тех пор, как  начинают измерять, точная наука немыслима без меры»; Кельвин: «Каждая вещь известна лишь в той степени, в какой ее можно измерить». Измерения являются одним из основных способов познания природы, ее явлений и законов. Каждому  новому открытию в области естественных и технических наук предшествует большое число различных измерений. Немецкий физик Г. Ом установил основной закон  электрической цепи (закон Ома) в 1826 г. путем ряда  точных экспериментов, а в 1827 г. дал ему теоретическое обоснование. П. Н. Лебедев, построив специальное  измерительное устройство, в 1901 г. впервые обнаружил и измерил давление света на твердое тело. Такие  примеры можно было бы продолжить. Важную роль играют измерения и в создании новых машин, сооружений, повышении качества продукции и эффективности производства. Например, во время  стендовых испытаний крупнейшего в мире турбогенератора мощностью 1200 МВт, созданного на ленинградском объединении «Электросила», измерения производились в 1500 различных его точках.

Проблема повышения качества продукции и  эффективности производства решается путем автоматизации технологических процессов, и здесь успех дела во  многом определяется достоверностью и своевременностью получения измерительной информации о ходе  технологического процесса. Качество многих технологических процессов зависит от состояния электроустановок,  обслуживающих эти процессы. Каждая электроустановка должна удовлетворять определенным техническим  требованиям. Проверка выполнения указанных требований производится посредством электроизмерительных приборов. Эта проверка осуществляется на всех стадиях создания, монтажа и последующей эксплуатации  электроустановки.

Первоначально под электрическими измерениями понимались методы и средства измерений параметров, связанных с производством, передачей и  использованием электрической энергии. Позднее электрические  измерения стали применяться в целях получения  измерительной информации о протекании различных регулируемых или управляемых технологических процессов. В настоящее время электрические методы измерений могут  применяться для изучения практически любых физических величин или процессов.

Первый в мире электроизмерительный прибор — «указатель электрической силы» был создан в 1745 г. акад. Г. В. Рихманом, соратником М. В. Ломоносова. Это был электрометр — прибор для измерения разности потенциалов, и предназначался он для изучения  атмосферного электричества. Однако только со второй  половины XIX в. в связи с созданием и практическим  применением генераторов электрической энергии остро встал вопрос о разработке различных электроизмерительных приборов, отсутствие которых сдерживало развитие электротехники. Много сделал для развития электроизмерительной техники во второй половине XIX и в начале XX вв.  выдающийся русский электротехник М. О. Доливо-Добровольский. Им разработаны амперметр и вольтметр  электромагнитной системы, изготовлен индукционный  измерительный механизм с вращающимся магнитным полем и подвижной частью в виде диска, который был затем положен в основу ваттметра и фазометра, разработаны рекомендации по конструированию ферродинамических приборов и т. д. Однако из-за низкого уровня развития электротехнической промышленности в  дореволюционной России работы М. О. Доливо-Добровольского  получили первое применение для организации производства электроизмерительных приборов за рубежом, в  частности на одной из немецких фирм.

К тому же периоду относятся работы известного русского физика А. Г. Столетова, открывшего закон  изменения магнитной проницаемости в зависимости от  напряженности поля и предложившего метод определения характеристик магнитных материалов с помощью  баллистического гальванометра. Важную роль в развитии электроизмерительной  техники примерно в те же годы сыграли труды акад. Б. С. Якоби. Им разработан ряд приборов для  измерения сопротивления электрической цепи, сделаны первые шаги в области обеспечения единства в измерении  электрических величин. Дело в том, что к 1880 г. на  практике использовалось 15 различных единиц электрического сопротивления, 8 единиц ЭДС, 5 единиц электрического тока. Такое положение сильно затрудняло  сопоставление результатов расчетов и измерений, выполненных различными исследователями. Остро ощущалась  необходимость введения единой системы электрических  единиц. Такая система была принята Первым конгрессом по электричеству, состоявшимся в 1881 г. Особенно много для развития измерительной  техники в России сделал разносторонний ученый Д. И.  Менделеев. Им создана точная теория весов, по его  настоянию и при активном участии в России с 1899 г. была допущена факультативно метрическая система мер, которая с 1918 г. стала обязательной, по его  инициативе в конце прошлого и начале нынешнего века при Главной палате мер и весов в Петербурге было  организовано специальное отделение для проверки  электрических измерительных приборов. Однако широкое  развитие электроизмерительная техника в нашей стране  получила только в годы Советской власти.

В 1927 г. в Ленинграде построен первый  отечественный электроприборостроительный завод  «Электроприбор» (ныне завод «Вибратор»). Уже через год завод выпустил около 100 000 счетчиков электрической  энергии, в которых остро нуждалось народное хозяйство страны (для сравнения укажем, что в настоящее время отечественные заводы ежегодно выпускают около 5 млн. счетчиков). В 30-х годах были введены в строй  приборостроительные заводы в Харькове, Ленинграде, Москве,  Краснодаре, Киеве. В послевоенный период с 1948 по 1967 г. объем продукции электроприборостроения возрос в 200 раз. В последующих пятилетках развитие  приборостроения идет неизменно опережающими темпами.  Расширяется количество видов измеряемых величин,  непрерывно улучшаются метрологические характеристики средств измерения, их внешний вид.

Прогресс в развитии средств электроизмерительной техники в последние годы был обеспечен в результате дальнейшего развития теории измерений и разработки на ее основе новых методов измерения, широкого  применения в конструкциях средств измерений последних достижений микроэлектроники, автоматики,  вычислительной техники, а также успешного решения ряда  технологических задач. Рассмотрим основные достижения в этой области. Аналоговые приборы непосредственной оценки  выпускаются промышленностью уже десятки лет. Между тем в последние годы в их конструкции были сделаны серьезные изменения: так, от опор на кернах перешли к растяжкам, что позволило существенно повысить  точность, снизить цену деления, а в ряде случаев изменить весь внешний вид прибора. До последнего времени  такому переходу препятствовали серьезные технические трудности (недостаточная прочность и упругое  последействие растяжек). Однако в результате усилий  ученых эти препятствия были устранены, а  приборостроительная промышленность СССР освоила производство ряда серий аналоговых приборов (амперметров,  вольтметров, ваттметров, частотомеров, фазометров и др.) с высокими технико-экономическими характеристиками. В качестве примера можно указать на разработку  узкопрофильных A20X30 и 160X30 мм по лицевой панели) аналоговых сигнализирующих контактных (АСК)  приборов. Приборы этой серии обладают рядом достоинств: они занимают на щитах и пультах управления в 5— 10 раз меньше места, чем приборы аналогичного  назначения в обычном исполнении; отличаются высоким классом точности 0,5 и 1,0; снабжены устройствами,  позволяющими производить не только измерение, но и контроль, а также регулирование контролируемой величины. Аналоговые сигнализирующие контактные  приборы выпускаются серийно и успешно используются в промышленности, в частности для контроля за работой агрегатов котел — турбина — генератор на современных электростанциях. Коллективу авторов, разработавших эти приборы, присуждена Государственная премия 1977 г.

На основе микроэлектроники создан ряд моделей аналоговых приборов непосредственной оценки без  подвижных частей. Важным шагом в развитии электроприборостроения явились разработка и освоение серийного производства новых методов изготовления резисторов на основе  печатной технологии и литого микропровода в сплошной стеклянной изоляции, отличающихся компактностью и высокой стабильностью сопротивления. Технология производства печатных резисторов была предложена и освоена на Краснодарском заводе  измерительных приборов. На основе печатных резисторов разработаны и выпускаются серийно многие модели  прецизионных полуавтоматических компенсаторов (типа Р345, Р363), мостов, делителей напряжения (типа Р313, Р35), полуавтоматических установок (типа У355, У309, УЗ 13), погрешность их не превышает 0,005—0,0005%. В результате разработки технологии производства литого микропровода в сплошной стеклянной изоляции была решена проблема производства высокоомных  резисторов и приборов на их основе.

Новым шагом в развитии электроизмерительной техники стали разработка и освоение серийного  производства цифровых измерительных приборов (ЦИП).  Высокая точность, быстродействие, помехоустойчивость, . малый отбор мощности от объекта измерения, удобство визуального отсчета, возможность выдачи результата измерения в виде кода во внешние устройства и ряд других ценных признаков характерны для ЦИП наряду с полной автоматизацией процесса измерения. При  разработке ЦИП сочетаются последние достижения теории электрических измерений с современной  микроэлектронной элементной базой, автоматикой и вычислительной техникой.

В настоящее время наметилась определенная  тенденция к применению в электроизмерительных приборах микропроцессоров. Последние позволяют производить обработку результатов измерения путем умножения или деления измеряемой величины на постоянный  коэффициент, вычитания постоянного коэффициента из значения измеряемой величины, контроля значения измеряемой величины относительно заданных границ зоны допуска, вычисления статистических характеристик  контролируемого процесса, линеаризации характеристик  измерительных преобразователей и т. д. Микропроцессоры также оказывают активное воздействие на сам процесс измерения и калибровки прибора. Наукой об измерениях, методах и средствах  обеспечения их единства, способах достижения требуемой  точности является метрология. Но наличие хороших  методов и средств измерений еще не означает высокого уровня измерений, необходимо также правильно  пользоваться ими. Поэтому в метрологии можно выделить два направления — научно-техническое и  законодательное. Содержанием научно-технического направления  является создание, например, эталонов, средств и методов измерений, методов оценки точности измерений и  законодательного — создание регламентированных  государством общих правил, требований и норм,  обеспечивающих высокий уровень измерительного дела на строго научной основе.

Наука о принципах и методах установления  наиболее эффективных норм и правил взаимодействия  элементов общественного производства с точки зрения их совместимости, унификации и рациональной  организации называется стандартизацией. Стандарты — это  технические законы, устанавливающие определенные  требования к материалам, изделиям, технологическим процессам, технической и технологической  документации, методам испытаний и т. п. Метрология и  стандартизация тесно связаны между собой: с одной стороны измерения пронизаны различными стандартами  (например, на средства, методики), с другой стороны,  измерения обеспечивают методы и средства контроля  выполнения стандартов. Поэтому в Советском Союзе  стандартизация и метрология объединены в единой  государственной службе — Государственном комитете стандартов Совета Министров СССР (Госстандарт СССР). В нашей стране измерениями профессионально  занимаются более трех миллионов трудящихся; ими ежедневно выполняется более 20 млрд. измерений. Много времени затрачивается на проведение измерений  работниками науки, промышленности, торговли, транспорта и т. д. В эксплуатации находится около 1 млрд.  приборов. В таких условиях необходимо обеспечить единство измерений в стране — это важнейшая задача  метрологической службы Единством измерений называется такое положение в области измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, а  погрешности известны с заданной вероятностью. Единство измерений достигается единством эталонов и мер;  испытаний, поверки и ревизии, метрологических  характеристик средств измерений; методов измерительных  процессов; форм представления результатов измерения  Законодательной основой в этом отношении является система Государственных общесоюзных стандартов (ГОСТ) в виде Государственной системы обеспечения единства измерений (ГС И). Задача данной книги — познакомить читателя с  основными понятиями метрологии и электроизмерительной техники, принципом действия и основными  характеристиками современных средств измерения и методами  измерения электрических, магнитных и неэлектрических величин.

ГЛАВА ПЕРВАЯ

ОСНОВНЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ПОГРЕШНОСТИ

1.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ, МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ. ЕДИНИЦЫ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Наука об измерениях, методах и средствах  обеспечения их единства и достижения требуемой точности  называется метрологией. Измерением называется нахождение значений  физических величин опытным путем с помощью специальных технических средств. Измерения должны выполняться в общепринятых единицах. В СССР в 1963 г. введена Международная система единиц (СИ). Основными единицами СИ являются: метр (м), килограмм (кг), секунда (с), ампер (А), кельвин (К) и кандела (кд). Кроме основных единиц установлены производные единицы. В табл. 1.1  приведены наиболее употребительные производные единицы электрических и магнитных величин. Наименования кратных и дольных единиц  образуются путем применения приставок, приведенных в табл. 1.2.

Средствами электрических измерений называют  технические средства, используемые при электрических  измерениях и имеющие нормированные погрешности.  Различают следующие виды средств электрических  измерений: 1) меры; 2) электроизмерительные приборы; 3)  измерительные преобразователи; 4)  электроизмерительные установки; 5) измерительные информационные  системы.

Мерой называется средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины  заданного размера, например измерительная катушка  сопротивления, конденсатор, гиря. Набор мер  представляет собой специально подобранный комплект мер для воспроизведения ряда одноименных величин различного размера. Примерами набора мер являются магазины сопротивлений, емкостей и т. д.

Электроизмерительными приборами называют  средства электрических измерений, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации, т. е. информации о значениях измеряемой величины, в  форме, доступной для непосредственного восприятия  наблюдателем, например амперметр, вольтметр, ваттметр,  фазометр. Измерительными преобразователями называют  средства электрических измерений, предназначенные для  выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся  непосредственному восприятию наблюдателем.  Измерительные преобразователи можно разделить на: 1)  преобразователи электрических величин в электрические,  например шунты, делители напряжения, трансформаторы; 2) преобразователи неэлектрических величин в  электрические, например термоэлектрические термометры,  терморезисторы, тензорезисторы, индуктивные  преобразователи.

Электроизмерительная установка состоит из ряда средств измерений (мер, измерительных приборов,  измерительных преобразователей) и вспомогательных  устройств, расположенных в одном месте. При помощи  таких установок можно в ряде случаев производить более сложные и более точные измерения, чем при помощи  отдельных измерительных приборов.  Электроизмерительные установки широко используются, например, для  поверки и градуировки электроизмерительных приборов и испытаний магнитных материалов. Измерительные информационные системы  представляют собой совокупность средств измерений и  вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи. Они предназначены для автоматического  получения измерительной информации от ряда ее источников, а также для ее передачи и обработки (подробнее см. гл. 17).

В зависимости от способа получения результата  измерения делятся на прямые и косвенные. Прямыми называются измерения, результат которых получается непосредственно из опытных данных.  Примеры прямых измерений: измерение тока амперметром,  температуры термометром, массы на весах. Косвенными называются измерения, при которых искомая величина непосредственно не измеряется, а ее значение находится на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, полученными в результате прямых измерений. Например, мощность Р в цепях постоянного тока вычисляют по формуле Р=Ш; напряжение V в этом случае измеряют вольтметром, а ток / — амперметром.

В зависимости от совокупности приемов  использования принципов и средств измерений все методы делятся на методы непосредственной оценки и методы сравнения. Под методом непосредственной оценки понимают  метод, по которому измеряемая величина определяется непосредственно по отсчетному устройству  измерительного прибора прямого действия, т. е. прибора,  осуществляющего преобразование измерительного сигнала в одном направлении (без применения обратной связи), например измерение тока амперметром, измерение  давления пружинным манометром. Метод непосредственной оценки прост, но отличается относительно низкой  точностью.

Методом сравнения называют метод, по которому  измеряемая величина сравнивается с величиной,  воспроизводимой мерой. Отличительной чертой метода сравнения является непосредственное участие меры в процессе  измерения, например измерение сопротивления путем  сравнения его с мерой сопротивления — образцовой  катушкой сопротивления, измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями. Методы сравнения  обеспечивают большую точность измерения, чем методы  непосредственной оценки, но это достигается за счет  усложнения процесса измерения.

Методы сравнения подразделяются на нулевые,  дифференциальные и замещения. Нулевой метод — это метод сравнения измеряемой величины с мерой, в котором действие измеряемой  величины на индикатор сводится к нулю встречным  действием известной величины. Примером может служить измерение электрического сопротивления при помощи уравновешенного моста. Дифференциальный метод — это метод сравнения с мерой, по которому прибором измеряется разность  между измеряемой величиной и известной величиной,  воспроизводимой мерой. По дифференциальному методу происходит неполное уравновешивание измеряемой величины, и в этом заключается отличие  дифференциального метода от нулевого. Примером этого метода может служить измерение электрического сопротивления при помощи неуравновешенного моста. В этом случае измеряемое сопротивление будет определяться не только известными сопротивлениями плеч моста, но и  показанием индикатора. Метод замещения — это метод сравнения с мерой, по которому измеряемая величина Ах заменяется в  измерительной установке известной величиной Ло,  воспроизводимой мерой, причем путем изменения величины Ло  измерительная установка приводится в прежнее состояние, т. е. достигаются те же показания приборов, что и при действии величины Ах. В результате АХ=АО. Из всех разновидностей методов сравнения метод замещения наиболее точен, так как при замене измеряемой  величины известной никаких изменений в состоянии и действии измерительной установки не происходит, вследствие этого погрешность в показаниях измерительных  приборов не влияет на результат измерения. Примером  метода замещения может служить измерение сопротивления с поочередным включением измеряемого сопротивления и регулируемого образцового сопротивления в одно и то же плечо моста.