Izmeritelnye_preobrazovateli_Mironov
.pdfФедеральное агентство по образованию ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина»
Э.Г. Миронов
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
Учебное пособие
Учебное электронное текстовое издание Подготовлено кафедрой автоматики и информационных технологий
Научный редактор: доц., канд. техн. наук В.И. Паутов
В учебном пособии приводятся основные положения по теории и практике метрологического обеспечения технических измерений. Рассматриваются методы и средства, используемые для измерения физических величин, в том числе датчики, измерительные схемы, электроизмерительные приборы. Дается обширное приложение и детальный перечень литературных источников по рассматриваемым вопросам.
Предназначено для студентов всех форм обучения специальностей: 230101 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» (ВМКСС); 230102 «Автоматизированные системы обработки информации и управления» (АСУ); 280101 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» (БЖТ); 280103 «Защита в чрезвычайных ситуациях» (ЗЧС); 280104 «Пожарная безопасность» (ПБ).
© ГОУ ВПО УГТУ−УПИ Екатеринбург
2009
СОДЕРЖАНИЕ |
|
Предисловие..................................................................................................................... |
9 |
Основы метрологии....................................................................................................... |
11 |
1.1. Краткий исторический обзор............................................................................. |
11 |
1.2. Термины и определения..................................................................................... |
14 |
1.3. Задачи метрологии.............................................................................................. |
18 |
1.4. Международная система единиц....................................................................... |
22 |
1.4.1. Общие положения..................................................................................... |
22 |
1.4.2. Основные единицы ................................................................................... |
23 |
1.4.3. Производные единицы.............................................................................. |
25 |
1.4.4. Внесистемные единицы............................................................................ |
27 |
1.4.5. Кратные и дольные единицы................................................................... |
32 |
1.4.6. Единицы количества информации.......................................................... |
33 |
1.4.7. Достоинства Международной системы единиц..................................... |
33 |
2. Основы теории погрешностей.................................................................................. |
34 |
2.1. Общие положения............................................................................................... |
34 |
2.2. Нормальный закон распределения.................................................................... |
38 |
2.3. Распределение Стьюдента ................................................................................. |
40 |
2.4. Распределение χ2................................................................................................. |
41 |
2.5. Классификация погрешностей........................................................................... |
43 |
2.6. Количественные характеристики погрешностей............................................. |
46 |
3. Характеристики средств измерений........................................................................ |
48 |
3.1. Общие положения............................................................................................... |
48 |
3.2. Статические характеристики............................................................................. |
49 |
3.3. Динамические характеристики.......................................................................... |
50 |
3.4. Универсальные характеристики........................................................................ |
53 |
3.5. Характеристики погрешностей ......................................................................... |
54 |
3.6. Классы точности ................................................................................................. |
55 |
4. Статические погрешности средств измерений....................................................... |
60 |
2 |
|
4.1. Общие положения............................................................................................... |
60 |
4.2. Выявление промахов.......................................................................................... |
62 |
4.3. Систематические погрешности......................................................................... |
65 |
4.4. Случайные погрешности.................................................................................... |
67 |
4.5. Суммарные погрешности................................................................................... |
69 |
4.6. Правила округления............................................................................................ |
72 |
4.7. Пример расчета ................................................................................................... |
73 |
5. Доверительные интервалы и погрешности погрешностей................................... |
78 |
5.1. Общие положения............................................................................................... |
78 |
5.2. Погрешность арифметического среднего......................................................... |
78 |
5.3. Погрешность систематической погрешности.................................................. |
79 |
5.4. Погрешность среднего квадратического отклонения..................................... |
81 |
5.5. Необходимое число измерений......................................................................... |
82 |
5.6. Пример расчета ................................................................................................... |
86 |
6. Динамические погрешности средств измерений................................................... |
90 |
6.1. Общие положения............................................................................................... |
90 |
6.2. Передаточные функции...................................................................................... |
92 |
6.3. Частотные характеристики................................................................................ |
95 |
6.4. Пример расчета ................................................................................................... |
97 |
7. Погрешности результатов измерений................................................................... |
102 |
7.1. Погрешности прямых многократных измерений.......................................... |
102 |
7.1.1. Порядок оценки....................................................................................... |
102 |
7.1.2. Пример расчета........................................................................................ |
106 |
7.2. Погрешности прямых однократных измерений............................................ |
109 |
7.2.1. Порядок оценки....................................................................................... |
109 |
7.2.2. Примеры расчета..................................................................................... |
112 |
7.3. Погрешности косвенных измерений............................................................... |
116 |
7.3.1. Порядок оценки погрешностей классическим методом..................... |
116 |
7.3.2. Порядок оценки погрешностей по МИ 2083–90.................................. |
120 |
7.3.3. Примеры расчета..................................................................................... |
124 |
3 |
|
7.4. Неопределенности измерений......................................................................... |
129 |
8. Измерения физических величин............................................................................ |
135 |
8.1. Общие положения............................................................................................. |
135 |
8.2. Датчики.............................................................................................................. |
137 |
8.3. Измерительные схемы...................................................................................... |
139 |
8.4. Средства измерения электрических величин................................................. |
141 |
9. Построение и применение датчиков ..................................................................... |
143 |
9.1. Общие положения............................................................................................. |
143 |
9.2. Классификация датчиков................................................................................. |
144 |
9.3. Параметрические датчики................................................................................ |
147 |
9.3.1. Реостатные датчики ................................................................................ |
147 |
9.3.2. Датчики контактного сопротивления ................................................... |
149 |
9.3.3. Тензорезисторные датчики .................................................................... |
151 |
9.3.4. Фоторезисторные датчики ..................................................................... |
155 |
9.3.5. Терморезисторные датчики.................................................................... |
157 |
9.3.6. Индуктивные датчики............................................................................. |
160 |
9.3.7. Емкостные датчики................................................................................. |
167 |
9.4. Генераторные датчики...................................................................................... |
169 |
9.4.1. Термоэлектрические датчики ................................................................ |
169 |
9.4.2. Пьезоэлектрические датчики................................................................. |
175 |
9.4.3. Индукционные датчики.......................................................................... |
178 |
9.4.4. Датчики Холла......................................................................................... |
180 |
9.4.5. Трансформаторные датчики................................................................... |
182 |
9.5. Тенденции развития датчикостроения ........................................................... |
186 |
10. Динамика термочувствительных датчиков ........................................................ |
188 |
10.1. Исходные данные............................................................................................ |
188 |
10.2. Скачкообразное изменение температуры..................................................... |
190 |
10.3. Линейное изменение температуры ............................................................... |
195 |
11. Мостовые измерительные схемы......................................................................... |
199 |
11.1. Общие положения........................................................................................... |
199 |
4 |
|
11.2. Основные соотношения при исследовании чувствительности.................. |
201 |
11.3. Основные соотношения при исследовании линейности ............................ |
203 |
12. Неравновесные токовые мостовые измерительные схемы............................... |
204 |
12.1. Чувствительность токовых мостовых схем ................................................. |
204 |
12.1.1. Общие положения................................................................................. |
204 |
12.1.2. Основные соотношения........................................................................ |
206 |
12.1.3. Выводы и рекомендации...................................................................... |
213 |
12.2. Линейность токовых мостовых схем............................................................ |
215 |
12.2.1. Общие положения................................................................................. |
215 |
12.2.2. Основные соотношения........................................................................ |
217 |
12.2.3. Выводы и рекомендации...................................................................... |
226 |
13. Неравновесные потенциальные мостовые схемы.............................................. |
228 |
13.1. Чувствительность потенциальных мостовых схем..................................... |
228 |
13.1.1. Общие положения................................................................................. |
228 |
13.1.2. Основные соотношения........................................................................ |
229 |
13.2. Линейность потенциальных мостовых схем................................................ |
231 |
13.2.1. Общие положения................................................................................. |
231 |
13.2.2. Основные соотношения........................................................................ |
233 |
13.2.3. Выводы и рекомендации...................................................................... |
242 |
14. Равновесные мостовые схемы.............................................................................. |
245 |
14.1. Общие положения........................................................................................... |
245 |
14.2. Датчик в первом плече................................................................................... |
245 |
14.3. Датчик во втором плече ................................................................................. |
248 |
14.4. Датчик в третьем плече.................................................................................. |
250 |
14.5. Датчик в четвертом плече.............................................................................. |
251 |
14.6. Примеры расчета равновесных схем ............................................................ |
253 |
15. Мостовые схемы переменного тока.................................................................... |
257 |
15.1. Общие положения........................................................................................... |
257 |
15.2. Измерения параметров катушек индуктивности......................................... |
262 |
15.3. Измерение параметров конденсаторов......................................................... |
267 |
5 |
|
15.4. Шестиплечие мостовые схемы...................................................................... |
271 |
15.5. Трансформаторные мостовые схемы............................................................ |
272 |
15.6. Выводы и рекомендации................................................................................ |
274 |
16. Примеры использования равновесных мостовых измерительных схем......... |
276 |
16.1. Двух- и трехпроводные схемы включения датчиков.................................. |
276 |
16.2. Автоматические мостовые схемы................................................................. |
277 |
17. Аналоговые электромеханические приборы...................................................... |
279 |
17.1. Общие положения........................................................................................... |
279 |
17.2. Магнитоэлектрические приборы................................................................... |
281 |
17.3. Электромагнитные приборы.......................................................................... |
284 |
17.4. Электродинамические приборы.................................................................... |
288 |
17.5. Электростатические приборы........................................................................ |
291 |
17.6. Индукционные приборы ................................................................................ |
294 |
17.7. Логометры........................................................................................................ |
296 |
18. Приборы сравнения............................................................................................... |
299 |
18.1. Общие положения........................................................................................... |
299 |
18.2. Компенсаторы постоянного тока с ручным управлением.......................... |
299 |
18.3. Автоматические компенсаторы постоянного тока...................................... |
302 |
18.4. Полярно-координатные компенсаторы переменного тока......................... |
305 |
18.5. Прямоугольно-координатные компенсаторы переменного тока............... |
306 |
19. Аналоговые электронные приборы..................................................................... |
309 |
19.1. Общие положения........................................................................................... |
309 |
19.2. Вольтметры средних значений...................................................................... |
310 |
19.3. Вольтметры амплитудных значений............................................................. |
314 |
19.4. Конденсаторные частотомеры....................................................................... |
317 |
19.5. Омметры .......................................................................................................... |
320 |
20. Цифровые измерительные приборы.................................................................... |
324 |
20.1. Общие положения........................................................................................... |
324 |
20.2. Электромеханические цифровые приборы.................................................. |
326 |
20.3. Электронные цифровые приборы................................................................. |
328 |
6 |
|
20.3.1. Времяимпульсные вольтметры............................................................ |
328 |
20.3.2. Уравновешивающие вольтметры........................................................ |
330 |
20.3.3. Электронно-счетные частотомеры...................................................... |
333 |
20.3.4. Измерители временных интервалов.................................................... |
335 |
20.3.5. Измерители разности фаз..................................................................... |
338 |
20.4. Мультиметры................................................................................................... |
340 |
21. Измерительно-компьютерные системы.............................................................. |
341 |
22. Измерение электрических токов.......................................................................... |
344 |
22.1. Общие положения........................................................................................... |
344 |
22.2. Измерение постоянного тока......................................................................... |
346 |
22.3. Измерение переменного тока ........................................................................ |
351 |
23. Измерение электрических напряжений .............................................................. |
354 |
23.1. Общие положения........................................................................................... |
354 |
23.2. Измерение постоянного напряжения............................................................ |
356 |
23.3. Измерение переменного напряжения........................................................... |
360 |
24. Измерение электрических сопротивлений......................................................... |
365 |
24.1. Общие положения........................................................................................... |
365 |
24.2. Измерение малых сопротивлений................................................................. |
370 |
24.3. Измерение средних сопротивлений.............................................................. |
376 |
24.4. Измерение больших сопротивлений............................................................. |
384 |
25. Измерение температуры....................................................................................... |
389 |
25.1. Общие положения........................................................................................... |
389 |
25.2. Термометры..................................................................................................... |
394 |
25.3. Пирометры....................................................................................................... |
403 |
Заключение................................................................................................................... |
411 |
Библиографический список........................................................................................ |
413 |
Приложение 1. Статистические таблицы.................................................................. |
418 |
Приложение 2. Критерий согласия по ГОСТ 8.508 – 84 ......................................... |
423 |
Приложение 3. Характеристики датчиков................................................................ |
426 |
Приложение 4. Условные обозначения на шкалах и корпусах приборов............. |
438 |
7 |
|
Приложение 5. Характеристики электроизмерительных приборов....................... |
441 |
Приложение 6. Условные графические обозначения в схемах.............................. |
447 |
Приложение 7. Обозначение единиц измерения, их кратных и дольных |
|
значений ....................................................................................................................... |
450 |
Приложение 8. Классификация электронных электроизмерительных приборов и |
|
система их обозначения.............................................................................................. |
451 |
Приложение 9. Технические характеристики стандартных измерительных |
|
шунтов.......................................................................................................................... |
454 |
Приложение 10. Технические характеристики устройства типа И58М................ |
455 |
Приложение 11. Технические характеристики добавочного сопротивления типа |
|
Р-109.............................................................................................................................. |
457 |
Приложение 12. Технические характеристики жидкостных термометров........... |
458 |
Приложение 13. Технические характеристики манометрических термометров.. |
460 |
Приложение 14. Визуальный оптический пирометр «Проминь» .......................... |
461 |
Приложение 15. Телескоп пирометра суммарного излучения типа ПИРС-019 с |
|
усилителем................................................................................................................... |
462 |
8
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящее учебное пособие посвящено методам и средствам измерения. В работе приводятся основные понятия, встречающиеся в теории и практике метрологического обеспечения измерений. Рассмотрены методы и средства измерений физических величин, в том числе датчики, мостовые измерительные схемы, электроизмерительные приборы и приборы для измерения неэлектрических величин.
Особенно детально рассмотрены вопросы, связанные с погрешностями, так как в задачу каждого измерения входит не только определение искомой величины, но и оценка погрешности полученного результата.
Следует отметить, что в настоящее время отсутствуют учебники и учебные пособия (см., например, [1–12]), которые бы в полной мере отвечали учебным планам специальностей: 230101 – ВМКСС; 230102 – АСУ; 280101 – БЖТ; 280103 – ЗЧС; 280104 – ПБ и рабочим программам по дисциплинам «Методы и средства измерений», «Метрология, стандартизация и сертификация» для студентов всех форм обучения перечисленных выше специальностей.
Монографии [13; 20–22] написаны для специалистов и по своему содержанию не могут служить учебными пособиями. В других случаях [1; 2; 7], стремясь к краткости и лаконичности, авторы опускают ряд существенных разделов курса. К тому же некоторые положения (например, по Международной системе единиц, по оценке погрешностей и др.) получили новую трактовку, что потребовало внести соответствующие изменения и дополнения.
При написании данного учебного пособия была сделана попытка охватить все вопросы, возникающие при изучении методов и средств измерений, а также основ метрологии, стандартизации и сертификации в соответствии с требованиями учебных планов и рабочих программ. Особенно большое внимание уделяется метрологии как науке об измерениях и их единстве. Значительная часть учебного пособия посвящена методам оценки погрешностей результатов и средств измерений.
9
Для сокращения объема учебного пособия некоторые второстепенные положения рассмотрены сравнительно кратко, без подробных доказательств и выкладок, а некоторые разделы изложены в виде инструкций и рекомендаций.
Работа снабжена приложениями, содержащими справочные данные, что может облегчить ее использование как практического руководства при оценке, например, погрешностей результатов и средств измерений без привлечения других книг и справочников. Последнее обстоятельство расширяет область использования учебника. И хотя учебник предназначен в основном для студентов, он с успехом может быть использован аспирантами, инженерами, преподавателями и научными работниками.
Библиографический список, приведенный в конце работы, включает в себя учебники, учебные пособия, монографии, справочники, нормативные документы и статьи, опубликованные в журналах и научных трудах. Ссылки на конкретные литературные источники приводятся по мере необходимости при рассмотрении соответствующих тем и задач метрологии и технических измерений. Новая литература, изданная в последние годы, приведена в конце библиографического списка. Здесь также представлен перечень нормативных документов, ссылки на которые сделаны в учебнике.
Автор благодарит рецензентов – закафедрой автоматизации производственных процессов УГЛТУ, кандидата технических наук, доцента С.П. Санникова и старшего научного сотрудника ИММ УрО РАН, кандидата технических наук, доцента С.И. Кумкова – за доброжелательное отношение к рукописи и за полезные замечания, сделанные ими при рецензировании.
Автор выражает признательность научному редактору, кандидату технических наук, доценту кафедры автоматики и управления в технических системах УГТУ–УПИ В.И. Паутову за большую работу по научному редактированию учебного пособия. Особую признательность автор выражает кандидату технических наук, доценту кафедры автоматики и информационных технологий УГТУ–УПИ Н.П. Бессонову за ценные советы и предложения, высказанные им при обсуждении рукописи.
10