Виды и общие методы измерений

Редакция 04.02.2018 г. Макарычев П.К. ИИТ МЭИ КУРС ЛЕКЦИЙ: МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ, СЕРТИФИКАЦИЯ ТЕМА 1. МЕТРОЛОГИЯ ЛЕКЦИЯ 4 № СОДЕРЖАНИЕ В 1 ВВЕДЕНИЕ. ОCНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МЕТРОЛОГИИ (лекция 1) ВИДЫ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ (лекция 2) 2 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ (лекция 3) 3 ВИДЫ И ОБЩИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ (лекция 4) 3.1 Виды измерений 3.2 Общие методы измерений 7 стр. 2 4…7 4 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ СИЛЫ ТОКА И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ (лекция 5) 5 ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ. ВИДЫ. УСТРОЙСТВО. ХАРАКТЕРИСТИКИ (лекция 6) 6 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ЧАСТОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА (лекция 7) 7 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ (лекция 8) 8 ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ (лекция 9) Примечание – Нумерация страниц, рисунков и таблиц сквозная в пределах раздела 3. 1 Редакция 04.02.2018 г. Макарычев П.К. ИИТ МЭИ 3 ВИДЫ И ОБЩИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ 3.1 Виды измерений:  Прямые измерения  Косвенные измерения  Совокупные измерения  Совместные измерения 3.1.1 Прямые измерения – искомое значение физической величины получают непосредственно из опыта (рисунок 3.1). Рисунок 3.1 – Иллюстрация приборов, реализующих прямые виды измерений 3.1.2 Косвенные измерения – искомое значение физической величины вычисляют на основании известной зависимости этой величины от нескольких других, значения которых получены прямыми измерениями. Некоторые типовые примеры представлены на рисунке 3.2. Пример 1 Пример 2 Пример 3 Пример 4 Rx=Uv/IA Px=Uv·IA P=R·IA2 P= UV2/R 2 Редакция 04.02.2018 г. Макарычев П.К. ИИТ МЭИ Рисунок 3.2 – Примеры косвенных измерений Примечание – Резистор R, применяемый в примерах 3 и 4, используется в качестве меры. Значение и погрешность сопротивления меры экспериментатору известны. 3.1.3 Совокупными принято называть такие измерения, которые так же, как и косвенные, предполагают предварительное проведение некоторых прямых измерений. Однако дальнейшее использование прямых имеет отличие: на основе прямых составляется и затем решается система уравнений. Прямые измерения при этом – одноимённые, т.е. измеряются величины одного вида. Предварительно омметром измеряют три сопротивления: - RAB = (R2+ R3)||R1 между точками А и В; - RAC = (R1+ R3)||R2 между точками А и С; - RВC = (R1+ R2)||R3 между точками А и С. На основе полученных прямых измерений проводится решение системы из трёх уравнений: R1, R2 и R3 – результаты совокупных измерений. Рисунок 3.3 – Пример совокупных измерений 3.1.4 Совместные измерения формально отличаются от совокупных только тем, что предварительно проводимые прямые измерения – разноимённые. Пример. Известна температурная зависимость сопротивления резистора: R = R0·(1 + α·θ), где R – сопротивление резистора при температуре θ; R0 – сопротивление R при θ = 0; α – температурный коэффициент. Искомыми являются R0 и α. Измеряют два значения R при разных температурах: R1 при θ = θ1 и R2 при θ = θ2. Решение системы двух уравнений R1 = R0·(1 + α·θ1) R2 = R0·(1 + α·θ2) даёт искомые значения R0 и α. Если исходная зависимость сопротивления более сложная R = R0·(1 + α·θ + β·θ2), то для нахождения R0; α и β потребуется провести уже три прямых измерения. Примечание – Иногда совокупные и совместные измерения считают частными случаями косвенных. 3 Редакция 04.02.2018 г. Макарычев П.К. ИИТ МЭИ 3.2 Общие методы измерений:  Метод непосредственной оценки  Методы сравнения с мерой: – нулевой метод; – дифференциальный метод; – метод замещения. 3.2.1 Метод непосредственной оценки (мера в явном виде не присутствует, она отражена в шкале). Типовые примеры реализации метода представлены на рисунке 3.4. Рисунок 3.4 – Примеры реализации метода непосредственной оценки 3.2.2 Методы сравнения с мерой – мера присутствует в явном виде. Нулевой метод. Разность между значениями измеряемой величины и воспроизводимой мерой, доводится до нуля. Примеры реализации метода: весы, потенциометр, мосты постоянного тока, …. Рычажные весы и меры массы (веса): гири, разновесы. При взвешивании, используя меры веса различного номинала, доводят стрелку весов до положения равновесия. 4 Редакция 04.02.2018 г. Макарычев П.К. ИИТ МЭИ Потенциометр – многозначная мера напряжения. При измерении (перемещается движок переменного резистора R) стрелка нулевого индикатора (НИ) устанавливается на ноль. Это означает, что ток между точками 1 и 2 отсутствует и U0=Ux. Рисунок 3.5 – Два примера средств измерений, в которых реализован нулевой метод Равновесный мост постоянного тока. Позволяет измерять электрическое сопротивление постоянному току R (лекция 12). Рисунок 3.6 – Пример реализации и схема равновесного моста Принцип действия (рисунок 3.6). Изменением R3, добиваются нулевого показания нуль-индикатора (НИ): если ток в НИ отсутствует, то мост уравновешен и справедливо соотношения Rx·R2 = R1·R3 (покажите самостоятельно). Отсюда измеряемое сопротивление Rx = R1R3/R2. Дифференциальный метод. Разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряется прибором непосредственной оценки. Особенности метода рассмотрим на примере реализации неравновесного моста постоянного тока. Неравновесный мост также как и равновесный используется для измерений электрических сопротивлений постоянному току, 5 Редакция 04.02.2018 г. Макарычев П.К. ИИТ МЭИ но вместо НИ в измерительную диагональ включается чувствительный точный и высокоомный вольтметр (рисунок 3.7) – прибор, у которого есть измерительная шкала. В рассматриваемом случае к мосту в качестве объекта измерения подключен термометр сопротивления (подробности см. в лекции 12). Это специально изготавливаемый резистор с хорошо известной зависимостью его сопротивления от температуры среды, в которую ТС помещается. Выбираемый параметр ТС – его номинальное сопротивление. Это сопротивление Rном, которое ТС имеет при температуре 0ºС. мост приведён в состояние равновесия при tº=0ºC регулировкой R3 мост выведен из состояния равновесия изменением температуры Рисунок 3.7 – Два состояния неравновесного моста Применение неравновесного моста: - подключают ТС ко входу моста; - помещают ТС в среду с температурой tº=0ºС и изменением R3 добиваются нулевого показания вольтметра – устанавливают мост в равновесие; Примечание – В равновесие мост устанавливается обычно другим – более простым, способом. Вместо ТС, помещённого в камеру холода, на вход моста подключают калибратор (лекция 2) электрического сопротивления и с его помощью устанавливают с большой точностью Rном. - последующие изменения температуры среды изменяют сопротивление ТС – возникает разность ΔR ≠ 0, которая выводит мост из равновесия, т.е. приводит к появлению разности потенциалов φ1-φ2. Эта разность измеряется и отображается вольтметром. Шкалу вольтметра в этом случае можно проградуировать в единицах температуры. 6 Редакция 04.02.2018 г. Макарычев П.К. ИИТ МЭИ Метод замещения. Измеряемую величину замещают известной, и измеряют поочерёдно. Пример 1. Измеряется сопротивление резистора Rх (рисунок 3.8). S в положении 1. Измеряется ток Iх S в положении 2. Измеряется ток I0 Рисунок 3.8 – Пример реализации метода замещения На первом этапе (переключатель S в положении 1) с помощью амперметра измеряется ток (Iх= Iх1) через резистор Rх. На втором этапе (S в положении 2) ток I0 через многозначную меру регулируется изменением этой меры и доводится до значения I0= Iх1. Полученное значение R0 равно Rх. Пример 2. На рисунке 3.9 Rx – искомое сопротивление; R0 – известное (эталонное). Рисунок 3.9 – Схема замещения Поочерёдно измеряют напряжения Ux и U0. Получают: Ux/Rx = U0/R0 = I; Rx = R0Ux/U0 Важное преимущество метода: не нужно устанавливать ток I, не нужно знать его значение (измерять). 7