Виды средств измерений

17.10.2016 г КУРС ЛЕКЦИЙ: МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ, СЕРТИФИКАЦИЯ ТЕМА 1. МЕТРОЛОГИЯ ЛЕКЦИЯ 2 № СОДЕРЖАНИЕ В ВВЕДЕНИЕ. ОCНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МЕТРОЛОГИИ (лекция 1) 1 ВИДЫ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ 1 1.1 Меры и калибраторы (лекция 2) 2 1.2 Измерительные преобразователи (лекция 3) 10 1.3 Измерительные приборы (лекция 4) 19 2 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ 2.1 Характеристики измерительных приборов (лекция 5) 2.2 Характеристики мер и калибраторов (лекция 6) 2.3 Характеристики измерительных преобразователей (лекция 6) 3 ВИДЫ И ОБЩИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ (лекция 7) 4 СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЙ СИЛЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА (лекция 8) 5 СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ (лекция 9) 6 ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЙ (лекция 10) 7 СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЙ ЧАСТОТЫ (лекция 11) 8 СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ (лекция 12) 9 ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ 9.1 Составляющие погрешности измерения (лекция 13) 9.2 Запись результата измерения (лекция 13) 9.3 Вычисление погрешностей измерений (лекция 14) Примечание – Нумерация страниц, рисунков и таблиц сквозная в пределах раздела 1. 1 17.10.2016 г 1 ВИДЫ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ Совокупность приборов, предназначенных для проведения измерений и имеющих специальные – метрологические характеристики, будем называть средствами измерений (СИ). Будем различать три группы*) средств измерений: Рисунок 1.0 – Виды (группы) средств измерений Примечание – В метрологической практике принято также различать группы СИ под объединяющими названиями «Измерительные установки» и «Информационноизмерительные системы». Это сложные, часто – проблемно ориентированные, СИ и их изучение обычно осуществляется в отдельных курсах. 1.1 Меры и калибраторы  меры Меры воспроизводят физическую величину заданного значения. Они применяются для проверки метрологических свойств измерителей соответствующего назначения, а также при настройках проектируемых электрических схем различного назначения. Так в первом случае мера подключается, например, на вход омметра и затем его показание сравнивается с более точным – принимаемым за действительное (Rд), значением меры. По разности судят о метрологической состоятельности омметра и, если, необходимо и возможно – проводится т.н. калибровка омметра. Меры электрического сопротивления. На рисунках 1.1 представлены примеры изображений современных МЭС, имеющих конструктивные особенности. Рисунок 1.1 – Меры электрического сопротивления 2 17.10.2016 г Такие МЭС имеют две пары зажимов: - два зажима, обозначаемых, например, как I-I (токовые), служат для подключения МЭС в электрическую схему. При использовании только этих зажимов МЭС выполняет функцию воспроизведения некоторого (указанного на шильде или в паспорте) значения электрического сопротивления; - два других зажима (U-U, напряженческие или измерительные) используются при решении измерительной задачи преобразования*) тока в напряжение. В этом случае ко второй паре зажимов подключается высокоомная измерительная цепь или – в простейшем случае, вольтметр с высокоомным входом. Примечание – См. далее раздел «Измерительные преобразователи» На рисунке 1.2 представлена графема (графическое обозначение) такой МЭС. Рисунок 1.2 – Графема четырёхзажимного МЭС Вторая пара зажимов позволяет избежать погрешности, связанной с падением напряжения на неинформативных участках МЭС (между токовыми зажимами и изготовленным с высокой точностью резистивным телом Rэт). Учесть влияние этих участков сложно, особенно при малых значениях Rэт, поэтому решение проблемы посредством второй пары зажимов самое эффективное. Примечание – В качестве МЭС в ряде неответственных случаев могут использоваться прецизионные резисторы с двухпроводным подключением., т.е. резисторы с высокими метрологическими характеристиками – точностью изготовления, стабильностью характеристик, ... Меры электрического напряжения постоянного тока. На рисунках 1.3 представлены примеры изображений современных мер электрического напряжения постоянного тока, а также их графема (рисунок 1.3в). 3 17.10.2016 г а б в Рисунок 1.3 – Меры напряжения постоянного тока и их графема Эти меры формируют высокоточные и стабильные значения постоянных напряжений. Назначение аналогично МЭС. В современном приборостроении существуют меры электрической ёмкости, индуктивности, эталонные источники токов и др.  калибраторы Калибраторами принято называть многозначные меры. С их помощью можно проводить метрологические испытания измерителей не в одной точке шкалы, как в случае с мерами, а во всём диапазоне измерений или нескольких наиболее актуальных точках. Магазины (электрических) сопротивлений. На рисунке 1.4 представлен пример семидекадного магазина сопротивления типа Р4834-М1. На зажимах «R» путём манипуляций секторными регуляторами можно воспроизвести электрическое сопротивление в диапазоне от 0,1 Ома до 100 кОм с разрешением (минимальное различимое значение) в 0,01 Ом. Сопротивление воспроизводится с высокой точностью, что позволяет, в частности, проверять метрологическую состоятельность таких приборов как омметр в диапазоне его измерений. Для этого магазин подключают ко входу омметра и с помощью семи переключателей добиваются последовательно всех желаемых значений сопротивлений в диапазоне измерений омметра. Разница между воспроизведённым мостом значением и показанным омметром – абсолютная погрешность, не должна превышать предельных допустимых значений в этих точках шкалы, рассчитываемых на основании известного класса точности омметра (про классы точности см. далее). 4 17.10.2016 г Рисунок 1.4 – Пример магазина сопротивления На рисунках 1.5 представлены другие конструктивные варианты магазинов сопротивлений. малогабаритный стендовый слаботочный лабораторный стендовый сильноточный малогабаритный портативный слаботочный лабораторный стоечный для больших токов 5 17.10.2016 г высокоточный малогабаритный стендовый Описание: имитатор (симулятор) платинового термометра воспроизводит между выходными клеммами сопротивление, которое соответствует выставляемым с помощью секторного переключателя значений температуры. Примечание – на рисунке представлена модификация, которая проградуирована в градусах Фаренгейта (для США и Канады) имитатор платинового термометра сопротивлений типа РТ100 Рисунок 1.5 – Современные конструктивные варианты магазинов электрических сопротивлений Магазины (электрических) емкостей и индуктивностей, многозначный источник постоянного тока. Серийно выпускаются и другие многозначные меры (калибраторы) электрических величин: емкостей, индуктивностей, постоянного и переменного тока (см. рисунки 1.6). магазин электрических емкостей 6 17.10.2016 г магазин индуктивностей магазин индуктивностей многозначные высокоточные источники постоянного тока Модель Time Electronics 1010 служит для создания точного выходного сигнала напряжения при малом внутреннем (выходном) сопротивлении источника. Он имеет пять диапазонов, максимально до 10 В, и разрешением 0,01 мкВ. Портативность, батарейное и сетевое питание делают модель TE1010 пригодным для использования, как в лабораторных, так в полевых и производственных условиях. многозначный высокоточный источник постоянного напряжения 7 17.10.2016 г Рисунок 1.6 – Примеры калибраторов электрических величин Многоканальные многофункциональные калибраторы. Такие калибраторы способны воспроизводить значения нескольких величин одновременно. Некоторые примеры двухканальных калибраторов представлены на рисунках 1.7. двухканальные магазины: ёмкостей и резисторов Рисунок 1.7 – Примеры двухканальных магазинов электрических величин Многофункциональные калибраторы. Это одноканальные калибраторы, позволяющие поочерёдно воспроизводить значения нескольких физических величин. Малогабаритный переносной калибратор Time Electronics 1017. Воспроизводит значения электрических сопротивлений, силы постоянных тока, напряжения постоянного тока. Рисунок 1.8 – Многофункциональный калибратор типа Программируемые калибраторы (ПК). ПК это наиболее сложные и дорогие разновидности калибраторов. Они отличаются от ранее представленных, у которых значения воспроизводимых величин устанавливаются только вручную. Программируемые калибраторы могут воспроизводить величину как непрерывный массив значений, формируемый по программе метрологических испытаний средств измерений. На 8 17.10.2016 г рисунках 1.9 представлены два примера таких ПК: универсального назначения (Fluke-9100) и многоканальный специального назначения (Ресурс-К2). Fluke-9100 представляет собой многофункциональный калибратор. В дополнение к напряжению постоянного и переменного тока, электрическому сопротивлению, а также силе постоянного и переменного тока, прибор позволяет воспроизводить значения электрической ёмкости и проводимости, синтезировать сигналы произвольной формы или формировать сигналы прямоугольной, треугольной, импульсной и трапециидальной формы, импульсы с регулируемой амплитудой, длительностью и коэффициентом заполнения. ПК типа «Ресурс-К2» это шестиканальный формирователь силы переменного тока и напряжения переменного тока. Служит для метрологических испытаний измерителей показателей качества электрической энергии (ПКЭ). В соответствии с закладываемой программой синтезирует периодические сигналы (токи и напряжения) с частотным спектром от 0 до 2500 Гц. Рисунки 1.9 – Примеры программируемых калибраторов Более подробный разбор актуальных характеристик мер и калибраторов будет проведен в лекции 6. 9