Зміст

9.1.1. Сутність електричних вимірювань 

9.1.2. Основні одиниці електричних та магнітних величин у міжнародній системі одиниць 

9.1.3. Похідні та кратні одиниці   

9.1.4. Основні методи електричних вимірювань. Похибки вимірювальних приладів

 

ЕЛЕКТРИЧНІ ВИМІРЮВАННЯ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНІ ПРИЛАДИ

Деякі історичні факти

Георг Вільгельм Ріхман - російський фізик німецького походження, дійсний член Академії наук, соратник М. В. Ломоносова. У 1743 р. він побудував електровимірювальний прилад (електрометр), призначений для вивчення атмосферної електрики.

Карл Фердинанд Браун - німецький фізик, лауреат Нобелівської премії з фізики в 1909 р. Зробив вагомий внесок у розробку технічного застосування електромагнітних хвиль. Винахідник кінескопа (катодно-променевої трубки).

Борис Голіцин - виданий фізик і геофізик, академік Петербурзької АН. Основні його праці - з теорії теплового випромінювання, сейсмології, оптики, рентгенівського випромінювання.

Іван Кулібін - відомий російський механік-винахідник, прозваний «нижньогородським Архімедом».

 

9.1.1. Сутність електричних вимірювань

Для вимірювання електричних та магнітних величин використовують електровимірювальні прилади: амперметри, вольтметри, гальванометри та ін., а також їх комбінації. Процес вимірювання зводиться до порівняння вимірювальної фізичної величини з її значенням, прийнятим за одиницю. Вимірювання однієї величини можна замінити вимірюванням іншої, з нею пов'язаної.

Вимірювальну апаратуру поділяють на вимірювальні прилади та еталони. Вимірювальні прилади відзначаються високою точністю та надійністю роботи, можливістю автоматизації процесу вимірювань та передачі показників на далекі відстані, простотою вводу результатів вимірювань у електричні обчислювальні пристрої тощо. Тому вони широко використовуються у системах ручного або автоматичного контролю та підтримання на заданому рівні параметрів промислових установок та технологічних процесів.

 

9.1.2. Основні одиниці електричних та магнітних величин у міжнародній системі одиниць

У процесі вимірювань визначається відношення вимірювальної фізичної величини до її значення, прийнятого за одиницю. Вибір цього одиничного значення пов'язаний із урахуванням багатьох факторів.

Нагадаємо, що одиниці фізичних величин поділяють на основні та похідні. Основні одиниці вводяться незалежно одна від одної, похідні встановлюються на основі експериментально відкритих законів або прийнятих визначень, що поєднують різні фізичні величини.

У принципі, вибір основних одиниць довільний, і можна було б кожну фізичну величину характеризувати своєю власною (загальною) одиницею. Теоретично у якості основних можна вибрати одиниці будь-яких фізичних величин, наприклад одиницю прискорення рухомого тіла або потенціалу електричного поля. Однак вибір основних одиниць суттєво обмежений вимогами практики. Основна одиниця повинна забезпечувати зручність вимірювань та відносну простоту її відтворення в різних країнах. Виготовлення та зберігання еталонів одиниці фізичної величини не має призводити до надмірних матеріальних затрат. Бажано також, щоб основні одиниці були пов'язані з фундаментальними фізичними величинами, такими як протяжність, час, кількість речовини.

У системі СІ в якості основних одиниць електричних та магнітних величин прийнято такі: одиниця довжини - метр (м), одиниця часу - секунда (с), одиниця маси - кілограм (кг) та одиниця сили струму - ампер (А).

Метр, секунда та кілограм були введені у Франції за пропозицією спеціальної комісії у 1799 р. Ці одиниці були пов'язані з фундаментальними об'єктами та процесами. Метр визначався як сорокамільйонна частка земного меридіана, секунда - як 1/86400 середньої сонячної доби та кілограм - як маса кубічного дециметра води при температурі 4 °С Було виготовлено прототипи метра та кілограма у вигляді лінійки та гирі зі сплавів, найбільш стійких до зовнішнього впливу металів.

На сьогодні прийнято такі визначення основних одиниць електричних та магнітних величин, що входять до системи СІ:

• метр (м) - довжина, рівна 1 650 763,73 довжини хвиль випромінювання атома криптону-86 у вакуумі, що відповідає переходу між рівнями 2р¹⁰ і

5с/⁵;

• кілограм (кг) - маса міжнародного прототипу кілограма, який зберігається у Національному архіві Франції;

• секунда (с) - тривалість 9 192 631 770 періодів випромінювання, що відповідає переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезія-133;

• ампер (А) - сила струму, при якому на кожен метр довжини двох паралельних прямолінійних круглих провідників, розташованих на відстані 1 м один від одного, приходиться механічна сила 2 - 10⁷ Н.

 

9.1.3. Похідні та кратні одиниці

Використовуючи вибрані основні одиниці, можна визначити похідні одиниці інших електричних та магнітних величин. Для цього потрібно підібрати по можливості простий математичний вираз, що пов'язує одну фізичну величину з кількома або всіма основними величинами.

Наприклад, за визначенням, dq = idt, де q - електричний заряд; і - сила струму; t - час. Оскільки сила струму виражається в амперах, а час - в секундах, встановлюємо, що одиницею електричного заряду є добуток ампера на секунду. Цю одиницю називають кулоном: [Кл] = [А] · [с].

Одна з найважливіших фізичних величин - напруга. Напруга виражається у вольтах. І хоча вольт - похідна одиниця, через неї достатньо часто виражають інші похідні одиниці: одиниця повної потужності - вольт-ампер (В ■ А), одиниця напруженості електричного поля - вольт, поділений на метр (В/м) та ін.

Щоб виразити одиницю напруги через основні одиниці, згадаємо, що електрична напруга дорівнює роботі сил електричного поля при переносі точкового тіла із зарядом 1 Кл з однієї точки поля в іншу:

на

пруга; А - робота; Q - заряд.

Широко застосовують в електротехніці та електроніці кратні одиниці, пов'язані з основними та похідними одиницями постійним множником. Цим множникам присвоєні спеціальні найменування: 10~¹² - піко (π), 10~⁹ -нано (н), КГ⁶ - мікро (мк), 10^_3 - мілі (м), 10³ - кіло (к), 10⁶ - мета (Μ), 10⁹ -гіга (Г), 10¹² - тера (Т). Наприклад, запис 10 нФ означає, що йдеться про десять мільярдних часток фаради.

 

9.1.4. Основні методи електричних вимірювань. Похибки вимірювальних приладів

Існує два основних методи електричних вимірювань: метод безпосередньої оцінки та метод порівняння.

При використані методу безпосередньої оцінки вимірювана величина відраховується безпосередньо за шкалою приладу. Шкала вимірювального приладу попередньо градуюється за еталонним приладом в одиницях вимірювальної величини. Як правило, таке градуювання здійснюється на заводі під час виготовлення приладу. Переваги цього методу - зручність підрахунку показань приладу та мала затрата часу на операцію вимірювання. Метод безпосередньої оцінки широко застосовується в різних галузях техніки для контролю та регулювання технологічних процесів, у польових умовах, на рухомих об'єктах тощо. Недолік методу - порівняно невисока точність вимірювань.

У разі використання методу порівняння вимірювана величина порівнюється безпосередньо з еталоном, зразковою та робочою мірою. У цьому випадку точність вимірювань може бути значно підвищена. Метод порівняння використовується головним чином у лабораторних умовах, він потребує досить складної апаратури, високої кваліфікації операторів та значних затрат часу. Останнім часом в апаратурі порівняння все ширше впроваджується автоматизація.

Електровимірювальні прилади безпосередньої оцінки дають змогу відрахувати числове значення вимірюваної величини на шкалі або цифровому пристрої приладу.

Практика показує, що при всякому вимірюванні безперервної величини неминуча деяка похибка Δ - різниця між виміряним (Л_вим) та дійсним (А) значеннями вимірюваної величини:

Систематичні похибки змінюються за певним законом та виникають внаслідок факторів, які можуть бути враховані: вплив зовнішніх умов (температура, радіація, електромагнітні поля), недосконалість методу вимірювання, недосконалість вимірювального приладу.

Випадкові похибки виникають внаслідок дії факторів, які не піддаються безпосередньому обліку. Оцінку випадкових похибок можна провести тільки при дуже великій кількості вимірювань, що повторюються, використовуючи методи теорії ймовірностей.

Похибка оператора (у записі, у визначенні ціни поділки приладу тощо) зазвичай легко виявляється в ряді спостережень за значними відхиленнями результату вимірювання від середніх або приблизно очікуваних значень, її виключають із записів та при обробці результатів вимірювання не враховують.

Для більш повної характеристики вимірювань вводять визначення відносної похибки вимірювання δ:

Величини Δ і δ характеризують точність вимірювання. У багатьох випадках виникає необхідність охарактеризувати точність приладу. Для цієї мети вводиться визначення приведеної похибки вимірювання:

де /4_тах - максимальне значення шкали приладу, тобто граничне значення вимірюваної величини.

Найбільша приведена похибка визначає клас точності приладу. Якщо, наприклад, клас точності амперметра дорівнює 1,5, то це означає, що найбільша приведена похибка у = ±1,5 %. Якщо прилад розрахований на вимірювання струмів до 15 А, то абсолютна похибка вимірювання цим приладом складе:

Якщо вказаним приладом виміряти струм 10 А, то відносна похибка вимірювання не перевищить

Якщо цим приладом виміряти струм 1 А, то відносна похибка вимірювання не перевищить

Цей приклад показує, що при точних вимірюваннях прилад слід підбирати так, щоб значення вимірюваної величини припадало на другу половину шкали.

Розрізняють основну та додаткову похибки. Основні похибки виникають при нормальних умовах роботи, вказаних у паспорті приладу та умовними знаками на шкалі. Додаткові похибки виникають при експлуатації приладу в умовах, відмінних від нормальних (підвищена температура навколишнього середовища, сильні зовнішні магнітні поля, неправильна установка приладу тощо).

 

Це матеріал з підручника "Електротехніка та основи електроніки" Гуржій 2020