Измерение электротехнических величин

Основные понятия

Физические основы измерений – это предмет, в котором изучают общие причины и методы измерений физических величин, основанные на конкретных физических явлениях, а также изучают источники погрешностей измерений и методы повышения точности измерений.

Измерение – это организованное действие человека, выполняемое для количественного познания свойств физического объекта с помощью определения опытным путем значения какой-либо физической величины (измеряемой величины).

Значение физической величины – оценка физической величины в принятых для измерения данной величины единицах.

Измеряемая физическая величина – физическая величина, подлежащая измерению в соответствии с поставленной измерительной задачей.

Влияющая физическая величина – физическая величина непосредственно не измеряемая средством измерения, но оказывающая влияние на него или на объект измерения таким образом, что это приводит к искажению результата измерения.

Различают истинное и действительное значения измеряемой величины.

Истинное значение физической величины – это значение, которое идеальным образом отображало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта.

Действительное значение физической величины – это значение, найденное экспериментально и настолько приближенное к истинному значению, что для конкретной цели может быть использовано вместо него. Результат измерения это именованное число, найденное путём измерения физической величины.

Точность измерений характеризуется близостью результатов измерений к истинному значению измеряемой величины.

Измерение включает в себя следующие понятия:

– объект измерения;

– цель измерения;

– условия измерения (совокупность влияющих величин, описывающих состояние окружающей среды и объектов);

– метод измерения, т.е. совокупность приёмов использования принципов и средств измерений (принцип измерения – совокупность физических явлений, положенных в основу измерения);

– методика измерения, т.е. установленная совокупность операций и правил, выполнение которых обеспечивает получение необходимых результатов в соответствии с данным методом.

– достоверность (характеризуется доверительной вероятностью, т.е. вероятностью того, что истинное значение измеряемой величины находится в указанных пределах);

– правильность (характеризуется значением систематической погрешности);

– сходимость (близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполняемых повторно одними и теми же методами и средствами и в одних и тех же условиях; отражает влияние случайных погрешностей на результат );

– воспроизводимость (близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполняемых в разных местах, разными методами и средствами, но приведенных к одним и тем же условиям).

Классификация измерений.

По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения разделяются на:

Статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени;

Динамические, в процессе которых измеряемая величина изменяется и является непостоянной во времени.

По способу получения результатов измерений их разделяют на:

Прямые – это измерения, при которых значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. При прямых измерениях измеряемую величину сравнивают непосредственно с мерой или же находят с помощью измерительных приборов, градуированных в требуемых единицах.

Косвенные – это измерения, при которых неизвестную величину определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, полученными прямым измерениям, т.е. измеряют не собственно определяемую величину, а другие, функционально с ней связанные.

Совокупные – это производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых неизвестную величину определяют решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Например, определение номинальных масс отдельных гирь по образцовой массе какой-либо гири. 

Совместные – это производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимостей между ними. Например, определение коэффициентов, связывающих зависимость сопротивления полупроводниковых материалов от температуры.

По характеру точности результатов единичных измерений при проведении многократных измерений:

– равноточные – измерения физических величин, выполненные одинаковыми по точности средствами измерений в одинаковых условиях;

– неравноточные.

По виду физических величин, измеряемых при прямых измерениях для получения результата косвенных измерений:

– абсолютные – измерения, основанные на прямых измерениях основных (в системе СИ) величин и на использовании значений физических констант;

– относительные – измерение отношения физической величины к одноименной.

По условиям определения точности результатов:

– метрологические – измерения, проводимые с помощью эталонов, образцовых средств, с целью воспроизведения единиц физических величин для передачи их размеров рабочим средствам измерения;

– технические – измерения, проводимые с помощью рабочих средств;

– Однократное измерение— измерение, выполненное один раз.

– Многократное измерение— измерение физической величины одного и того же размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, то есть состоящее из ряда однократных измерений

– Статическое измерение— измерение физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения.

– Динамическое измерение— измерение изменяющейся по размеру физической величины.

–Абсолютное измерение— измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант.

· Относительное измерение— измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

      Также стоит отметить, что в различных источниках дополнительно выделяют таки виды измерений: метрологические и технические, необходимые и избыточные и др.

Метод измерений – совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

Для точных измерений физических величин в метрологии разработаны приемы использования принципов и средств измерений, применение которых позволяет исключить из результатов измерений часть систематических погрешностей и тем самым освобождает экспериментатора от необходимости определять многочисленные поправки для их компенсации, а в некоторых случаях вообще является предпосылкой получения сколько-нибудь достоверных результатов. Многие из этих приемов используют при измерении только определенных величин, существуют и некоторые общие приемы, названные методами измерения.

Метод непосредственной оценки, заключающийся в определении величины непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия, например взвешивание на циферблатных весах, измерение давления пружинным манометром, определение силы тока амперметром.

Метод сравнения с мерой, заключающийся в том, что измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на измерительный прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между ними, называется методом противопоставления.

Классификация физических величин:

Таблица 1

Электрические измерения – это измерение электрических величин, таких, как напряжение, сопротивление, сила тока, мощность. Измерения производятся с помощью различных средств - измерительных приборов, схем и специальных устройств. Тип измерительного прибора зависит от вида и размера (диапазона значений) измеряемой величины, а также от требуемой точности измерения. В электрических измерениях используются основные единицы системы СИ: вольт (В), ом (Ом), фарада (Ф), генри (Г), ампер (А) и секунда (с).

Энергетические измерения – это величины, описывающие энергетические характеристики процессов преобразования, передачи и использования энергии. К ним относятся ток, напряжение, мощность, энергия. Эти величины называют активными. Они могут быть преобразованы в сигналы измерительной информации без использования вспомогательных источников энергии.

Погрешность измерения — это разность между полученным при измерении Xꞌ и истинным Q значениями измеряемой величины. Погрешность измерения является характеристикой (мерой) точности измерения.

Для количественной оценки качества измерений вводят понятия абсолютной и относительной погрешностей измерений.

Абсолютная погрешность – разность между полученным при измерении значением величины и ее истинным (или действительным) значением. Погрешность измерений связана с несовершенством методов и средств измерений, с недостаточным опытом наблюдателя, с посторонним влияниями на результат измерения.

Относительная погрешность – погрешность измерения, выраженная отношением модуля абсолютной погрешности измерения к истинному (или действительному) значению измеряемой величины.

Приведенная погрешность – это относительная погрешность, в которой абсолютная погрешность средства измерения отнесена к условно принятому нормирующему значению, постоянному во всем диапазоне измерений или его части.

Измерение электротехнических величин

В зависимости от принципа действия измерительного механизма различают несколько систем электромеханических аналоговых показывающих приборов, условные обозначения которых даны в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Графические обозначения измерительных механизмов

Наименование системы прибора	Обычный измерительный прибор	Логометрический измерительный прибор
Магнитоэлектрический прибор с подвижной катушкой
Магнитоэлектрический прибор с подвижным магнитом
Электромагнитный прибор
Электромагнитный поляризованный прибор
Электродинамический прибор
Индукционный прибор
Электростатический прибор