Электроизмерительные приборы и электрические измерения

Занятие по рабочей программе №13

Дисциплина: «Электротехника и электроника»

Раздел 2. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА

Тема 2.1. Электроизмерительные приборы и электрические измерения

1. Общие сведения об электрических устройствах.

2. Виды и методы электрических измерений (прямые и косвенные).

3. Погрешности измерений.

4. Основные характеристики электроизмерительных приборов.

5. Классификация электроизмерительных приборов.

ХОД ЗАНЯТИЯ

1. Ознакомление с темой, целью и планом занятия.

Тема: Электроизмерительные приборы и электрические измерения.

ПЛАН

1. Общие сведения о физических величинах и их измерениях.

2. Производные единицы системы СИ

3. Кратные и дольные единицы.

4. Кратные и дольные единицы.

5. Погрешности измерений и электроизмерительных приборов.

6. Классификация электроизмерительных приборов.

1. Изложение и изучение нового материала.

1. Общие сведения о физических величинах и  их измерениях

Много сфер деятельности человека и общества тесно связаны с измерением физических величин и их выражением через соответствующие единицы.

Физической величиной (величиной) называется свойство, общее в качественном отношении для многих физических объектов и индивидуально в количественном отношении для каждого из них. Под индивидуальностью понимается то, что свойство, присущее одному объекту, может в определенное количество раз превышать или быть меньшим по сравнению со свойством другого объекта.

Качественная характеристика физической величины определяет ее род, а величины с одинаковой качественной характеристикой являются однородными. Например, такие величины, как длина, ширина, высота, диаметр, путь, длина волны - однородные, поскольку их качественные характеристики совпадают.

Количественное содержание физической величины в данном объекте является размером (физической) величины. Качественная и количественная стороны физической величины неразрывный связаны между собой. С целью предотвратить тавтологию термин "величина" не следует употреблять как количественную характеристику данного свойства. Нельзя, например, писать "величина массы", "величина напряжения", "величина магнитной индукции", потому что масса, напряжение та магнитная индукция сами является величинами. В таких случаях уместными будут сроки "размер массы", "размер напряжения", "размер магнитной индукции".

Числовым значением (физической) величины называется число, равное отношению размера измеряемой физической величины, к размеру единицы этой физической величины, или кратной (части) единицы.

Значением (физической) величины называется отображение физической величины в виде числового значения величины с обозначением ее единицы. Значение физической величины можно получить, как результат вычисления или измерения.

Истинным значением (физической величины) называется значение физической величины, которое идеально отображало бы определенное свойство объекта.

Условно истинным значением (физической величины), или действительным значением (физической величины), называется значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближено к истинному значению, что его можно использовать вместо истинного для данной цели.

Измерением называется отображение измеряемых величин их значениями посредством эксперимента и вычислений с применением специальных технических средств.

Измеряют физические величины, используя соответствующие физические явления. Совокупность физических явлений, которые лежат в основе измерений, называется принципом измерений. Например, температуру измеряют с использованием термоэлектрического эффекта, массу – взвешиванием (использование силы притяжения, которая пропорциональна массе), расход газа или жидкости – по перепадам давления и тому подобное.

Результаты измерений могут быть использованы при условии, что известны соответствующие характеристики погрешностей измерений. Для этого нужно выбрать правильную методику выполнения измерений, то есть совокупность процедур и правил, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с нужной точностью.

Измерения физических величин очень важны для решения разнообразных научных и практических заданий. В частности, измеряя физические величины, которые характеризуют тот или другой объект, можно установить и количественно выразить существующие между ними связки. Именно таким способом было установленный связь между массой тела, ускорением и силой, которая его вызывает (второй закон Ньютона); связь между силой тока, напряжением на участке цепи и ее сопротивлением (закон Ома) и др.

Непременным условием выполнения измерений является выбор единиц соответствующих физических величин. Этот выбор основывается на том, что однородные величины можно сравнивать между собой.

Единицей (физической величины) называется физическая величина определенного размера, принятая по соглашению для количественного отображения однородных с ней величин. Единицы любой величины могут отличаться по размеру.

Так метр, фут и дюйм является единицами длины, однако имеют разный размер:

• 1 фт = 0,3048 м; 

• 1 дюйм = 25,4^.10^-3 м.

Каждая единица физической величины имеет название, которое может быть специальным или производным от названий других единиц. Например, специальные названия имеют такие единицы, как метр, секунда, джоуль, тесла, а производные - метр в секунду, джоуль на килограмм, тесла на метр.

Обозначение единицы (физической величины) является условным символом единицы физической величины. Обозначение единицы может быть аббревиатурой слов, что входят в ее название, или специальным знаком. Допустимы к применению обозначения международные (с использованием литер латинской или греческой азбук) и русские (с использованием литер русской азбуки). Например, 1 метр может обозначаться 1 m или 1 м, 1 джоуль на килограмм - 1 J/kg или 1 Дж/кг. К специальным знакам, которыми обозначают единицы, принадлежат, например, знак о термометрического градуса (1 градус Цельсия обозначается 1 ^оС), знак % процента (1 процент - 1 %),   знаки ...,^о ...', ..." соответственно угловых градуса, минуты и секунды.

Если из совокупности однородных величин выделяется некоторая отсчетная величина, которая условно называется единицей, то все другие однородные величины могут быть выражены количественно в терминах этой единицы как произведение единицы и числа

А = {A}^.[A] (1.1)

где А - символ величины, {A} - числовое значение величины А, выраженной в единице [A].

Например, длина волны одной из линий спектра натрия λ = 5,896^.10^-7 м, где λ - символ величины - длины волны; м - обозначение единицы длины - метра; 5,896.10^-7 - числовое значение длины волны, выраженной в метрах.

Уравнение (1.1) называется основным равнением измерения. Из него следует, что результат измерения {A}.[A] будет выражаться посредством единицы [А]. Числовое значение величины равняется отношению между физической величиной и соответствующей единицей:

{A} = A/[A].

На XXIV Генеральной конференции по мерам и весам 17-21 октября 2011 года была единогласно принята резолюция, в которой, в частности, предложено в будущей ревизии Международной системы единиц переопределить четыре основные единицы СИ: килограмм, ампер, кельвин и моль.

Предполагается, что новые определения будут базироваться на фиксированных численных значениях постоянной Планка, элементарного электрического заряда, постоянной Больцмана и постоянной Авогадро, соответственно.

Всем этим величинам будут приписаны точные значения, основанные на наиболее достоверных результатах измерений, рекомендованных Комитетом по данным для науки и техники (CODATA).

В резолюции сформулированы следующие положения, касающихся этих единиц:

• Килограмм останется единицей массы; но его величина будет устанавливаться фиксацией численного значения постоянной Планка равным в точности 6,62606×10⁻³⁴, когда она выражена единицей СИ м²×кг×с⁻¹, что эквивалентно Дж×с.

• Ампер останется единицей силы электрического тока; но его величина будет устанавливаться фиксацией численного значения элементарного электрического заряда равным в точности 1,60217×10⁻¹⁹, когда он выражен единицей СИ с×А, что эквивалентно Кл.

• Кельвин останется единицей термодинамической температуры; но его величина будет устанавливаться фиксацией численного значения постоянной Больцмана равным в точности 1,3806×10⁻²³, когда она выражена единицей СИ м⁻²×кг×с⁻²×К⁻¹, что эквивалентно Дж×К⁻¹.

• Моль останется единицей количества вещества; но его величина будет устанавливаться фиксацией численного значения постоянной Авогадро равным в точности 6,02214×10²³, когда она выражена единицей СИ моль⁻¹.

2. Производные единицы системы СИ

Производные единицы могут быть выражены через основные с помощью математических операций умножения и деления. Некоторым из производных единиц, для удобства, присвоены собственные названия, такие единицы тоже можно использовать в математических выражениях для образования других производных единиц.

Математическое выражение для производной единицы измерения вытекает из физического закона, с помощью которого эта единица измерения определяется или определения физической величины, для которой она вводится. Например, скорость это расстояние, которое тело проходит в единицу времени; соответственно, единица измерения скорости м/с (метр в секунду).

Часто одна и та же единица может быть записана по-разному, с помощью разного набора основных и производных единиц. Однако, на практике, используются установленные выражения, которые наилучшим образом отражают физический смысл величины.

Примеры несистемных единиц:

Плоский угол (радиан), телесный угол (стерадиан), температура по шкале Цельсия (градус Цельсия), частота (герц), сила (ньютон), Энергия (джоуль), мощность (ватт), давление (Паскаль), световой поток (люмен), освещённость (люкс), электрический заряд (кулон), разница потенциалов (вольт), сопротивление (ом), ёмкость (фарад), магнитный поток (Вебер), магнитная индукция (тесла), индуктивность (генри), электрическая проводимость (Сименс), Радиоактивность (Беккерель), поглощённая доза ионизирующего излучения (грей), эффективная доза ионизирующего излучения (зиверт), активность катализатора (катал).

3. Кратные и дольные единицы

Десятичные кратные и дольные единицы образуют с помощью стандартных множителей и приставок СИ, присоединяемых к названию или обозначению единицы.

В связи с тем, что наименование единицы массы килограмм содержит приставку "кило", для образования кратных и дольных единиц массы используют дольную единицу массы грамм (0,001 кг).

Наименование и обозначения следующих единиц не допускается применять с приставками: минута, час, сутки (единицы времени), градус, минута, секунда (единицы плоского угла), астрономическая единица, диоптрия и атомная единица массы.

Т аблица 1

Дольные и кратные приставки

4. Классификация измерений

Измерения можно разделить на прямые, косвенные или совокупные.

Прямые – это такие измерения, при которых измеряемую величину получают путём её непосредственного сравнения с единицей измерения.

Косвенные – это измерения, при которых об измеряемой величине судят по изменениям другой величины, зависящей от измеряемой. Абсолютное большинство измерений являются косвенными.

При совокупных измерениях, значение измеряемой величины получают путём решения ряда уравнений, полученных при или косвенных измерениях.

5. Погрешности измерений и электроизмерительных прибо­ров

И змерения невозможно провести с полной точностью. Всегда существует ошибка, вызванная непостоянством параметров измерительной цепи (изменение температуры, индуктивности и т. п.), несовершенством конструкции измерительного механизма (наличие трения и т. д.) и влиянием внешних факторов (внешние магнитные и электрические поля, изменение температуры окружающей среды и т. д.).

А так же ошибки, вызванные неточностью проведения эксперимента экспериментатором.

Ошибки измерительных приборов называются погрешностью.

Классификация погрешностей приведена на схеме:

Разность между измеренным А_и и действительным A_д значениями контролируемой величины называется абсолютной погрешностью измерения:

ΔA = А_и - А_д.

Если не учитывать значения намеряемой величины, то абсо­лютная погрешность не даст представления о степени точности измерения. Действительно, предположим, что абсолютная пог­решность при измерении напряжения составляет ΔU =1 B. Если указанная погрешность получена при измерении напряжения в 100 В, то измерение произведено с достаточной степенью точности. Если же погрешность ΔU = 1 В получена при измере­нии напряжения в 2 В, то степень точности недостаточна. По­этому погрешность измерения принято оценивать не абсолют­ной, а относительной погрешностью.

Относительная погрешность измерения представляет собой отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины, выраженное в процентах:

Для оценки точности стрелочных измерительных приборов служит приведенная погрешность равная отношению абсолютной погрешности к значению, соответствующему наибольшему показанию прибора (предельное показание шкалы прибора) выраженному в %

Приведенная погрешность при нормальных эксплуатационных условиях (t=20⁰ C), правильной установке, отсутствии внешних магнитных полей и больших ферримагнитных масс называется основной погрешностью прибора или классом точности прибора. По степени точности измерительные приборы делятся на 8 классов 0,05; 0,1 - контрольные приборы; 0,2; 0,5 - лабораторные приборы; 1; 1,5; 2 - технические приборы; 4- ученические Число класса точности показывает основную погрешность прибора в %.

Методические погрешности – это погрешности расчетов. Проявляются тогда, когда искомая величина получается на основании расчетов с использованием данных, полученных с помощью нескольких измерительных приборов с приблизительными расчетами и допущениями. Например, не учитывается сопротивление соединительных проводов.

Личные погрешности связаны с личностью экспериментатора, его уровнем квалификации, особенностями зрения и т. д.

Инструментальные погрешности – это ошибка средств измерения, обусловленная недостатками схемы, конструкцией измерительного прибора, условиями его эксплуатации.

Систематические погрешности – это погрешности, которые остаются неизменными или изменяются по законам, известным экспериментатору.

Случайные погрешности – это погрешности проявляющиеся по непредсказуемым законом и обусловлены они методическими, личными, инструментальными погрешностями, а также условиями проведения эксперимента.

Основная погрешность – это погрешность измерения при нормальных условиях эксперимента.

Дополнительная погрешность – это погрешность, которая возникает при наличии внешних факторов, влияющих на эксперимент.

Аддитивные – это погрешности, не зависящие от измеряемой величины.

Мультипликативные – это погрешности, линейно зависящие от измеряемой величины.

Статические погрешности получаются при измерении величины, изменением которой можно пренебречь в условиях данного эксперимента.

Динамические погрешности обусловлены инерционностью измерительных приборов по сравнению с изменением измеряемой величины.

6. Классификация электроизмерительных приборов

При эксплуатации электроаппаратуры измеряют ток, напряжение, сопротивление, мощность, частоту, расход электрической энергии. Для этих целей применяют различные электроизмерительные приборы.

6.1. Классификация измерительных приборов

• По назначению приборы подразделяются на: амперметры, вольтметры, омметры, ваттметры, счетчики, частотомеры и др.

• По принципу действия электроизмерительные приборы относятся к следующим наиболее распространенным системам: электромагнитной, магнитоэлектрической, индукционной, электростатической, ферримагнитной, термоэлектрической и вибрационной.

Также приборы классифицируются по классу точности, форме корпуса, положению при измерениях, характеру применения.

6.2. Принцип действия электромеханических измерительных приборов.

В большинстве измерительных приборов имеется подвижная и неподвижная части. Подвижная часть, включающая в себя катушку и стальной якорь, механически объединена со стрелочным указателем и возвратными пружинами.

Принцип действия измерительных приборов.

(См. Занятие №02, Тема 1.1. Электрические цепи постоянного тока, ЛР №1. Ознакомление с основными электромеханическими измерительными приборами и методами электрических измерений).

Контрольные вопросы.

1. Что называют физической величиной

2. Что называют размером физической величины?

3. Что называют числовым значением физической величины?

4. Что называют истинным значением физической величины?

5. Что называют измерением?

6. Что называют единицей физической величины?

7. Что называют основным физической величины?

8. Что называют производным физической величины?

9. Как измерительные приборы классифицируются по назначению?

10. Какие измерительные системы вы запомнили?

11. Какой принцип действия измерительных приборов?

12. Какой закон электротехники лежит в основе работы электромеханического измерительного прибора?

13. Какие вы знаете способы крепления подвижной части?

14. Какие вы знаете способы крепления подвижной части, имеющие наименьшее трение?

15. На какой показатель работы измерительного прибора оказывает влияние сила трения подвижной части прибора?

16. Как создается противодействующий момент в приборах на кернах?

17. Как создается противодействующий момент в приборах на растяжках?

18. Для чего служит успокоитель?

19. Как работает воздушный успокоитель?

20. Как работает магнитный успокоитель?

21. Для чего предназначено отсчетное устройство?

22. Какую шкалу применяют для большей точности измерений и за счет чего эта большая точность достигается?

23. Как работает световой указатель?

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

1. Повторить материал: Занятия №02, ЛР№1. Ознакомление с основными электромеханическими измерительными приборами и методами электрических измерений.

2. Составить краткий конспект лекции.

3. Ответить письменно на контрольные вопросы.

4. Конспектировать: Цифровые электронные приборы: вольтметр, мультиметр, частотомер, фазометр.

Основные источники:

1. Данилов, И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники. – М. : Высшая школа, 2010. - 752с.

2. Ермуратский, П.В., Лычкина Г.П., Минкин Ю.Б. Электротехника и электроника. — М.: ДМК Пресс, 2011. — 416 с.

3. Электротехника и электроника / Под ред. Б.И. Петленко. – М. : Издательский центр «Академия», 2008.- 320 с.

4. Иванов, И. И., Соловьев, Г. И., Фролов, В. Я. Электротехника и основы электроники. — СПб. : Издательство «Лань», 2012. — 736 с.

Дополнительные источники:

1. Долгов, А.Н. Сборник задач по физике с решением и ответами. Электричество и оптика. – 186с.

2. Зайцев, А.П. Общая электротехника и электроника. – Томск : Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2002. – 178с.

3. Козлова, И. С. Электротехника. Конспект лекций. - ЭКСМО, 2008. - 160 с.

4. Мартынова, И.О. Электротехника: учебник / И.О. Мартынова. — М .: КНОРУС, 2015. — 304 с.

5. Петленко, Б.И. Электротехника и электроника. Москва, 2003. – 230 с.

6. Прошин, В.М. Электротехника для неэлектрических профессий. М :. – Академия, 2014. - 456с.

7. Прошин, В.М. Электротехника. М. : - Академия, 2013. – 288с.

Преподаватель: Владимир Александрович Волков