книги / Электрические измерения электрических и неэлектрических величин

Эти факторы рассматриваются как источники помех. При электриче­ ских измерениях основными являются помехи электромагнитной приро­ ды. В зависимости от места расположения источника помех различают

внешние и внутренние помехи.

Основными источниками внешних помех являются электрические силовые сети, включающие в себя питающие линии, электрические ма­ шины, силовые трансформаторы, генераторы, электротранспорт, ат­ мосферные разряды и т. п. Указанные источники создают электрические

имагнитные поля, которые вследствие наличия индуктивных, емкост­ ных и резистивных паразитных связей между источником помехи и измерительной цепью обусловливают возникновение в последней наводок и протекание электрических токов через элементы цепи.

Индуктивная паразитная связь между источником помехи (напри­ мер, цепью силового питания) и измерительной цепью проявляется вследствие взаимоиндукции между этими цепями и зависит от геомет­ рических, электрических и магнитных параметров линии связи и мо­ жет составлять единицы и даже десятки микрогенри.

Емкостная связь возникает чаще всего между измерительной цепью

исиловыми проводами, первичной и вторичной обмотками трансфор­ маторов питания, а также между элементами измерительной цепи и корпусом средства измерения. Значения паразитных емкостей зависят также от геометрических размеров и взаимного расположения элемен­ тов цепей и конструкций и могут составлять десятки и даже сотни пи­ кофарад.

Резистивная связь возникает вследствие несовершенства изоляции,

а также при наличии общего элемента сопротивления измерительной и силовой цепей (например, при использовании одного общего провода в качестве «нулевого» провода или общей системы заземления). Общим элементом сопротивления может выступать и сопротивление земли. Работа силовых цепей, имеющих заземление, рельсового электротранс­ порта сопровождается протеканием, в земле очень больших токов. В частности, при работе электросварочного оборудования эти токи достигают 1000 А, а электрифицированный рельсовый транспорт соз­ дает токи растекания даже 1,5...3 кА. Токи растекания являются причиной возникновения неэквипотенциальности различных точек заземления измерительной цепи, например источника сигнала и средства измерения, которая может достигать при расстояниях в 100...500 м несколько вольт при внутреннем сопротивлении земли, равном 1...2 Ом.

Внутренние помехи обусловлены шумами элементов измерительной цепи, а также наличием термоэлектрических и контактных э. д. с. в местах соединения проводов.

Термоэлектрические э. д. с. возникают при соединении разнород­ ных проводников, концы которых находятся при разных температурах, а контактные э. д. с.—• при соединении однородных проводников, место соединения которых загрязнено, в результате чего в месте со­ единения происходят различные электрохимические процессы. Термо- и контактные э. д. с. могут достигать десятков микровольт.

В зависимости от способа воздействия на измерительную цепь раз­ личают помехи нормального вида и помехи общего вида. Помехи нормаль­

водов линии связи тока питания.

Помехами общего вида называют помехи, возникающие между неко­ торыми точками измерительной цепи, главным образом между точками заземлений источника измерительного сигнала и средства измерения или между определенной точкой измерительной цепи и некоторой точкой внешней цепи. Помехи общего вида опасны, поскольку они пре­ вращаются в помехи нормального вида, искажающие непосредственно входной сигнал. Степень такого превращения определяется соотноше­ нием между сопротивлениями линий связи, изоляции; источника сиг­ нала и средства измерений.

Наличие указанных выше источников помех требует принятия определенных мер защиты измерительных цепей от их влияния. Со­ вокупность конструктивных и схемотехнических приемов, направлен­ ных на предотвращение проникновения внешних помех в измеритель­ ную цепь, обеспечивает ее помехозащищенность.

Наиболее эффективным средством защиты измерительной цепи от влияния внешних и внутренних полей является э к р а н и р о в а ­ н и е . При этом различают магнитное, электростатическое и электро­ магнитное экранирование. При магнитном экранировании силовые линии магнитного поля замыкаются в основном через стенки ферро­ магнитного экрана, обладающего незначительным магнитным сопро­ тивлением. Эффективность магнитного экранирования зависит от материала и вида экрана. Так, стальная оплетка диаметром 20 мм умень­ шает наводки примерно в 20 раз, а цилиндрический экран того же диа­ метра, выполненный из листовой стали,— примерно в 100 раз. Приме­ няемые для защиты от воздействия электростатических полей так на­ зываемые электростатические экраны изготовляют преимущественно из тонкой медной или алюминиевой фольги. Медный экран обеспечи­ вает ослабление электростатического поля примерно в 100 раз. Прин­ цип действия электростатических экранов заключается в том, что под действием внешнего электростатического поля на внешней поверх­ ности экрана наводятся электрические заряды, поле которых компенси­ рует внешнее электростатическое поле, защищая от его действия из­ мерительную цепь внутри экрана.

Магнитные и электростатические экраны эффективны для защиты от воздействия не только статических полей, но и медленно изменяю­ щихся (с частотой десятки и сотни герц) полей. На высоких частотах (десятки килогерц и более) применяются электромагнитные экраны. Их экранирующий эффект обусловлен явлениями частичного отражения электромагнитных волн от поверхности экрана и поглощением энергии в теле экрана. Экранирующие свойства электромагнитных экранов за­ висят от удельной электрической проводимости и магнитной прони­ цаемости материала экрана и тем сильнее, чем больше значения этих

параметров, и увеличиваются с увеличе­ нием частоты влияющего поля. Так, при толщине 0,1 мм на частоте 20 кГц мед­

соответственно в 40, 23 и 8 раз.

Особенно тщательно следует выполнять экранирование измеритель­ ных цепей, содержащих емкостные, пьезоэлектрические, индуктивные, взаимоиндуктивные датчики, а также датчики, использующие электрон­ ные, ядерные и другие резонансные явления и работающие на высокой частоте.

Одним из эффективных способов борьбы с электромагнитными на­ водками является скручивание проводов линии. При этом на различ­ ных участках скрутки наводятся э. д. с. противоположных знаков, что обусловливает их взаимную компенсацию. При шаге скрутки, равном 100 мм, влияние помехи ослабевает примерно в 15 раз, а при шаге 25 мм — в 150 раз.

Элементы и участки измерительных цепей могут находиться под различными потенциалами. Это обусловлено как рабочими напряже­ ниями измерительной цепи, так и неэквипотенциальностью точек за­ земления отдельных участков цепи, электростатическими наводками и т. п. Борьба с возможными в этом случае паразитными токами осу­ ществляется с помощью эквипотенциальной защиты. Сущность экви­ потенциальной защиты можно объяснить на примере измерения боль­ ших сопротивлений с помощью вольтметра и гальванометра (рис. 4.7). При отсутствии эквипотенциальной защиты через гальванометр (мик­ роамперметр) будет протекать не только измерительный ток 1Х, но и токи утечек через сопротивление изоляции. Защита осуществляется с помощью экрана, разделяющего сопротивление изоляции между галь­ ванометром и землей на две части и подключенного к общей точке гальванометра и источника напряжения V . Ток утечки, протекающий через сопротивление Каз2, минует гальванометр, а ток утечки через сопротивление КЮ1 пренебрежимо мал, так как падение напряжения на этом сопротивлении, равное падению напряжения на гальванометре, незначительно.

В уравновешенных мостовых и компенсационных цепях такая за­ щита обеспечивает практически полное устранение влияния утечек, так как при условии равновесия ток через гальванометр не протекает, а следовательно, падение напряжения на нем равно нулю.

Упрощенная схема защиты измерительной цепи от влияния помех приведена на рис. 4.8. Здесь буквами В, Н и Э обозначены высоко-

инизкопотенциальные входы измерительного прибора ИП и выводы экрана ЭИ измерительной схемы; ЗИ, ЗК, ИЗ — общие точки источ­ ника сигнала ИС, корпуса К прибора и его измерительной схемы; 2эк, 2ик. 2иэ — паразитные сопротивления связей между экраном и корпусом, измерительной схемой и корпусом, измерительной схемой

иэкраном; 2ВХ-/, 2В%2 — входные сопротивления ИП (часто один из

рыми может быть самым различным в зависимости от точки приложе­ ния эквивалентной помехи общего вида; Э — экран линии; 2Э — со­ противление экрана линии; Ех — измеряемое напряжение.

Уменьшение влияния помехи Е0 нормального вида из-за наводок осуществляется здесь экранированием измерительной цепи. Устране­ ние помехи II0 общего вида, возникающей между, измерительной цепью и землей, и помехи 113, вызванной неэквипотенциальностыо точек заземления, осуществляется путем присоединения (если это возможно) экрана линии к общей точке измерительного сигнала и источника по­ мехи (штриховая линия, идущая к точке Э). В этом случае токи, вызываемые напряжениями 1!0и II3, протекают в основном через экран, минуя измерительную цепь. Если же общая точка недоступна, то эк­ ран линии следует подключить к нижнему выводу источника сигнала.

С точки зрения борьбы с влиянием помех общего вида особенно эф­ фективной является гальваническая развязка элементов измеритель­ ных цепей, при осуществлении которой можно обеспечить большое сопротивление цепи воздействия помехи. Наиболее просто гальвани­ ческое разделение выполняется на переменном токе. Для этого между цепью, содержащей помеху, и последующей частью измерительной цепи, например между входной и выходной цепями измерительного прибора, включается разделительный трансформатор.

Реализация гальванического разделения на постоянном токе бо­ лее сложна. В этом случае прибегают к преобразованию постоянных сигналов в переменные, гальваническому разделению на переменном токе и последующему обратному преобразованию переменных сигна­ лов в постоянные.

Очень часто измерительная цепь состоит из нескольких средств измерений, для обеспечения нормальной работы которых необходимо правильно осуществить их совместное заземление. Различают систему заземления источников питания (силовых цепей) и систему заземления измерительных цепей. Неправильное заземление может привести к воз­ никновению помех как общего, так и нормального вида. Для избежания этого следует предусмотреть две разделительные шины заземления — измерительную и силовую, которые могут электрически соединяться

только в одной точке. Кроме того, все измерительные Заземления от­ дельных средств измерений следует выполнять проводами, идущими к одной общей точке (как правило, с минимальным потенциалом), т. е. в виде звезды, что уменьшает уровень взаимных помех из-за протека­ ния токов в отдельных измерительных цепях.

Кроме помех, обусловленных наличием источников электрических и магнитных полей, могут иметь место помехи, вызванные отклонением параметров тепловых, световых и других полей, в которых расположе­ ны средства измерений, от их номинальных значений. В частности, существенное влияние ■не метрологические характеристики измери­ тельных устройств может оказывать изменение температуры внешней среды или температуры внутри устройства вследствие нагрева его эле­ ментов. Методы борьбы с такими помехами могут подразделяться на

технологические, конструктивные и структурные. В первом случае для создания элементов измерительной цепи применяют материалы, характеристики которых обладают незначительными зависимостями от температуры, например малыми температурными коэффициентами сопротивления или емкости соответственно резисторов и конденсато­ ров. Для уменьшения влияния изменения температуры часто исполь­ зуют пассивные или активные термостаты.

Кроме указанных, применяют также структурные методы уменьше­ ния температурных погрешностей. В этом случае используют многоканальность воздействия температуры на измерительную цепь, содер­ жащую кроме рабочего измерительного элемента, поддающегося воз­ действию температуры, компенсирующий температурно-чувствитель­ ный элемент. Например, для обеспечения неизменности сопротивления измерительной цепи, содержащей температурно-зависимый рабочий ре­ зистивный элемент, включают последовательно с ним компенсирующий резистор, температурный коэффициент которого противоположен по знаку температурному коэффициенту рабочего резистивного элемен­ та, или прибегают к параллельной либо комбинированной схемам температурной компенсации [3].

Г л а в а 5. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЕДИНСТВА И ТРЕБУЕМОЙ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

5.1. Единство измерений и метрологическое обеспечение

Метрология, ее разделы и функции. Метрология — наука об из­ мерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности измерений. Единство измерений — такое их состояние, при котором результаты измерений выражены в узаконенных единицах,, а их погрешности известны с заданной вероят­ ностью.

Метрология, являясь научной основой обеспечения единства и тре­ буемой точности измерений, подразделяется на теоретическую, при­ кладную и законодательную.

Теоретическая метрология решает общие научные проблемы изме­ рений. Предметом прикладной метрологии является практическое

применение положений теоретической метрологии. Законодательная мет­ рология регламентирует и контролирует со стороны государства пра­ вила, требования и нормы, направленные на обеспечение единства и требуемой точности измерений.

Функции всех трех разделов метрологии взаимосвязаны и направ­ лены на решение ряда всегда актуальных проблем, среди которых наиболее важными являются:

разработка теории физических величин, их единиц и систем; ^экспериментальное воспроизведение единиц с помощью их этало­

нов и передача размеров единиц всем другим средствам измерений; определение физических констант и стандартных справочных данных о свойствах веществ и- материалов, а также разработка стан­

дартных образцов; нормирование метрологических характеристик средств измерений;

нормирование точностных характеристик стандартных измери­ тельных процессов и методик выполнения измерений;

метрологический надзор за средствами измерений.

Таким образом, метрология является научной основой обеспечения единства и требуемой точности измерений, причем функции прикладной и законодательной метрологии подчинены закономерностям, установ­ ленным теоретической метрологией. В свою очередь, положения тео­ ретической метрологии находят свою практическую проверку и апро­ бацию при реализации функций прикладной и законодательной метро­ логии.

Метрологическое обеспечение. Под метрологическим обеспечением подразумевают установление и применение научных и организацион­ ных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения требуемой -точности измерений (ГОСТ 1.25—76 «ГСС. Метрологическое обеспечение. Основные положения»).

Единство измерений достигается единообразием средств и методик выполнения' измерений. Единообразие средств измерений состоит в том, что они проградуированы в узаконенных единицах, а их метроло­ гические характеристики соответствуют установленным нормам. Еди­ нообразие методик выполнения измерений заключается в том, что они обеспечивают официально гарантированную точность результатов из­ мерений.

Обеспечение единства измерений может быть достигнуто при лю­ бой их точности. Задача метрологического обеспечения — достижение требуемой, т. е. общественно необходимой, точности измерений. Ре­ шение этой задачи преследует цель повышения качества продукции, эффективности производства, научных исследований, использования

и контролю условий труда и быта людей, охране окружающей среды, оценке и рациональному использованию природных ресурсов и т. п.

Научной основой метрологического обеспечения является метро­ логия, а техническую его основу составляют: система государственных эталонов; система передачи размеров единиц физических величин от эталонов всем другим средствам измерений; совокупность всех средств измерений и средств их создания, ремонта и технического об­

вий, если их изменения в рабочих условиях соизмеримы с их нормиро­ ванными значениями, либо для рабочих условий применения, если в их пределах изменения характеристик незначительны (в этом случае три последние характеристики не нормируются).

Нормируемые динамические характеристики средств измерений (ГОСТ 8.256—77 «ГСИ. Нормирование и определение динамических характеристик аналоговых средств измерений. Основные положения») разделяются на полные и частные. К первым относятся дифференциаль­ ное уравнение, импульсная, переходная и передаточная функции, а также совокупность амплитудно-фазочастотной характеристик, ко вторым— отдельные параметры полных характеристик и характеристи­ ки, не отражающие полностью динамические свойства средств измере­ ний, например время установления показаний измерительного прибора.

Нормирование прочих метрологических характеристик средств из­ мерений подчинено нормированию характеристик их погрешностей,

измерений на систематическую Д и случайную Д составляющие либо без подразделения.

Для совокупности средств измерений данного типа Д трактуется как случайная составляющая, для которой нормируют: предел Ддоп ее допускаемого значения либо предел ддоп, математическое ожида­

ние М [Д] и среднее квадратическое отклонение С д.

о

Нормируемыми характеристиками случайной составляющей Д служат: предел о I допускаемого значения ее среднего квадратиче­

ского отклонения; ее нормализованная автоковариационная функция

или спектральная плотность мощности.

_. о

Для погрешности Д (без подразделения на Д и Д) средства измере­

ний, как и для Д, нормируют: предел Ддоп допускаемого ее значения либо предел Ддоп. математическое ожидание М [Д] и среднее квадра­ тическое отклонение а д.

В специально обоснованных случаях указывают распределение ве-

_ о

роятностей значений составляющих А и Д.

Действующими стандартами динамические погрешности средств измерений не нормируются, так как легче нормировать перечисленные выше другие динамические характеристики, позволяющие оценивать погрешности в динамическом режиме работы средства измерения для конкретных условий его применения.

Классы точности средств измерений (ГОСТ 8.401—80 «ГСИ. Классы точности средств измерений. Общие требования»). Класс точности средства измерений — обобщенная его характеристика, определяе­ мая пределами основной и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами средства измерений, влияющими на его точность. Класс точности средства измерений, хотя и характеризует его свойст­ ва в отношении точности, но не является непосредственным показате­ лем точности измерений, выполненных с его помощью.

Не всем средствам измерений присваиваются классы точности. Средствам измерений с двумя и большим числом диапазонов измерений

данной физической величины допускается присваивать два и больше классов точности. Средствам измерений, предназначенным для изме­ рения двух и более физических величин, допускается присваивать разные классы точности для каждой измеряемой величины.

Пределы допускаемых основной и дополнительных погрешностей средств измерений определенного класса точности выражают в форме

абсолютных, приведенных или относительных погрешностей в зависи­ мости от характера их связи с информативным параметром входного или выходного сигналов.

Пределы допускаемой абсолютной основной погрешности устанав­

выраженной в единицах входной или выходной величины либо услов­ но в делениях шкалы; х — значение входной или выходной величины средства измерений либо число делений, отсчитанных по шкале; а, Ь — положительные числа, не зависящие от х.

Пределы допускаемой приведенной основной погрешности устанав­ ливают по формуле

где у — пределы допускаемой приведенной основной погрешности; А — пределы допускаемой абсолютной основной погрешности, уста­ навливаемые по формуле (5.1); Х м — нормирующее значение, выражен­ ное в тех же единицах, что и А; р — отвлеченное положительное число,

Значения, указанные в скобках, не устанавливают для вновь раз­ рабатываемых средств измерений.

Нормирующее значение Хы для средств измерений с равномерной, практически равномерной или степенной шкалой и для измерительных преобразователей устанавливают:

а) равным большему из пределов измерений, если нулевое значе­ ние х находится на краю или вне диапазона измерений;

б) равным большему из модулей пределов измерений, если нулевое значение находится внутри диапазона измерений (для электроизмери­ тельных приборов допускается устанавливать Х м равным сумме мо­ дулей пределов измерений).

Для средств измерений физической величины, для которых приня­ та шкала с условным нулем (температура в °С), Хм устанавливают равным модулю разности пределов измерений.

Для средств измерений с номинальным значением измеряемой ве­ личины (частотомер с Д,ом = 50 Гц и диапазоном измерений 45...55 Гц) Х м устанавливают равным номинальному значению.