Электрические измерения и метрологические положения
Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Кафедра метрологии и стандартизации
РЕФЕРАТ
на тему:
«Электрические измерения и метрологические положения»
МИНСК, 2008
1 Закон РБ «Об обеспечении единства измерений». Его основные положения.
Метрология – наука об измерениях и способах достижения требуемой точности этих измерений.
Метрология бывает законодательная и теоретическая. Законодательная метрология решает вопросы, относящиеся к компетенции государства и его органов. Теоретическая занимается вопросами единиц физических величин, разработки эталонов и СИ, а также методов измерения и методов обработки результатов.
Термины и определения даются по ГОСТ 18263.
Измерения – нахождение значений физических величин опытным путём с помощью специальных технических средств – СИ (средств измерения).
СИ – технические средства, предназначенные для измерения и обладающие нормированными метрологическими характеристиками.
Единство измерений – такое их состояние, когда результаты этих измерений выражены в узаконенных единицах физических величин, а результаты этих измерений известны с заданной доверительной вероятностью.
Метод измерения – совокупность приёмов применения СИ и методов обработки результатов измерений.
Существует две разновидности методов измерения:
1 Метод непосредственной оценки (прямого преобразования).
2 Метод сравнения, в процессе которого измеряемая величина сравнивается с величиной, значение которой известно.
Метод сравнения имеет несколько модификаций (называемых методами):
– нулевой метод;
– дифференциальный метод, при котором разницу между известной величиной и измеряемой измеряют дополнительно;
– метод замещения, при котором измеряемая величина замещается величиной, значение которой известно;
– метод совпадений, при котором добиваются определенного соотношения между измеряемой и известной величинами.
Погрешность измерений – отклонение результата измерений от действительного значения.
Δ=x-Q (1)
Так как истинное значение неизвестно, в формулу (1) вместо Q подставляют т.н. действительное значение, которое настолько приближается к истинному, что в данных условиях может быть принято вместо него. Формула (1) дает выражение погрешности в форме абсолютной.
Относительная погрешность
δ=1/Q*100 % (2)
Приведем классификацию составляющих погрешность результата измерения по характеру проявления:
Систематическая погрешность – составляющая, остающаяся неизменной или изменяющаяся закономерно при повторных измерениях одной и той же величины.
Случайная – составляющая, изменяющаяся случайно при повторных измерениях одной и той же величины.
Грубая – погрешность, которая превышает ожидаемую.
По причине возникновения:
– методическая – составляющая, обусловленная несовершенством метода измерений и методов обработки их результатов.
– аппаратурная или инструментальная – обусловлена погрешностью применяемых СИ, применяемых в процессе измерения.
– внешняя – возникающая за счет отклонения 1-го или нескольких влияющих факторов от нормальных значений.
– субъективная – связанная с субъективными особенностями оператора.
Роль и значение метрологического обеспечения народного хозяйства были подчеркнуты во введении. Основные положения метрологического обеспечения разработки, производства, испытаний и эксплуатации продукции, научных исследований и других видов деятельности во всех отраслях народного хозяйства регламентируются в настоящее время ГОСТ 1.25-76. Рассмотрим эти положения и конкретизируем их применительно к метрологическому обеспечению измерений.
Основные положения метрологического обеспечения
Метрологическое обеспечение — это установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений. Таким образом, конечной целью метрологического обеспечения (МО) является обеспечение единства и требуемой точности измерений в общегосударственном масштабе. При этом под единством измерений понимается такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах (SI), а погрешности измерений известны с заданной вероятностью.
Как видно из приведенного определения, МО имеет научную, техническую и организационную основы. Научной основой МО является метрология, а техническая основа включает следующее:
– систему государственных эталонов единиц физических величин, обеспечивающую воспроизведение единиц с наивысшей точностью;
– систему передачи размеров единиц физических величин от эталонов всем СИ;
– систему разработки, производства и выпуска рабочих СИ, обеспечивающих определение с требуемой точностью характеристик продукции, технологических процессов и других объектов;
– систему обязательных государственных испытаний СИ, предназначенных для серийного или массового производства;
– систему обязательной государственной и ведомственной поверки или метрологической аттестации СИ, обеспечивающую единообразие СИ при их изготовлении, эксплуатации и ремонте;
– систему стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов, достоверными данными обеспечивающую научные исследования, разработку конструкций изделий и технологических процессов их изготовления и т. д.;
– систему разработки, стандартизации и аттестации методик выполнения измерений.
Применительно к МО измерений существующая система МО опирается на комплекс стандартов ГСИ. Основными объектами стандартизации ГСИ являются термины и определения в области метрологии, единицы физических величин, нормы точности измерений и формы представления результатов измерений, номенклатура нормируемых метрологических характеристик СИ, методики выполнения измерений, государственные эталоны и общесоюзные поверочные схемы, а также методы и средства поверки СИ, организация и порядок проведения государственных испытаний, поверки и метрологической аттестации СИ и т. д.
Организационной основой МО является метрологическая служба страны. Рассмотрим структуру и основные задачи метрологической службы применительно к средствам и методикам выполнения измерений.
Под метрологической службой (МС) понимается сеть государственных и ведомственных метрологических органов и их деятельность, направленная на обеспечение единства измерений и единообразия СИ в стране. Сеть государственных метрологических органов называют Государственной МС, а сеть метрологических органов отдельного ведомства – ведомственной МС.
Основные понятия Закона РБ «Об обеспечении единства измерений»:
Эталон единицы величины – техническое средство или их совокупность, устанавливающие, воспроизводящие и (или) хранящие единицу величины, а также кратных или дольных значений этой единицы, в целях передачи размера единицы другим средствам измерений (нижестоящих).
Поверка средств измерений – совокупность средств измерений, выполняемых с целью определения и подтверждения соответствия СИ установленным требованиям.
Калибровка – совокупность операций устанавливающих в заданных условиях соотношение между значением величины, полученной с помощью данного измеряемого оборудования и соответствующим значением величины, воспроизводимым эталоном.
Документы по обеспечению единства измерений – технические нормативно-правовые акты (ТНПА).
Система обеспечения единства измерений РБ – согласованная организация и научно – техническая система, представляющая совокупность документов по ОЕИ, измерительного оборудования, метрологических служб, применение и деятельность которых направлена на достижение единства и требуемой точности измерений.
Целью ОЕИ является защита граждан и интересов государства от последствий неточных и неправильных измерений, а также получение объективной, достоверной и сопоставимой измеряемой информации, используемой при принятии решений: охрана здоровья и наследственности, охрана окружающей среды, повышение конкурентоспособности товаров и услуг, рациональное использование всех видов ресурсов, обеспечение национальной безопасности, при решении вопросов экономических связей.
Основными принципами ОЕИ являются:
– применение международных системных единиц;
– использование национальных эталонов, признанных на международном уровне;
– прослеживаемость измерений к единицам СИ;
– доверие к компетентности аккредитованных поверочных калибровочных и испытательных лабораторий и результатов выполненных ими измерений;
– гармонизация научных требований с требования международных организаций;
– функционирование метрологической инфраструктуры, признаваемой на международном уровне.
Сфера действия законодательства метрологии охватывает все виды работ, связанных с безопасностью, экономическими отношениями и безопасностью страны.
СИ, находящиеся в эксплуатации, применяемые для определения значения величины, их соотношений или функций, должны быть отградуированы, соответствовать условиям эксплуатации, требуемой точности и обеспечивать прослеживаемость.
Измерения, осуществляемые в сфере законодательной метрологии должны выполняться по методикам выполнения измерений, которые прошли процедуру метрологического подтверждения пригодности.
2 Полномочия Комитета по стандартизации, метрологии и сертификации при Совете Министров РБ (Госстандарта)
– реализация единой государственной политики в области ОЕИ;
– осуществляет координацию на государственном и региональном уровнях, координацию деятельности по вопросам ОЕИ;
– решают вопросы теоретической и законодательной метрологии с предоставлением соответствующих предложений руководства республики;
– обеспечение государственной метрологической службы и осуществляет методическое руководство ведомственными метрологическими службами и надзор за ними;
– разрабатывает и утверждает государственные эталоны физической величины;
– устанавливает порядок государственного надзора и контроля;
– утверждает типы средств измерений, ведет реестр;
– определяет требования, как к самим СИ, так и к методам и методикам;
– утверждает порядок освидетельствования на техническую компетентность юридических лиц, а также частных предприятий, осуществляющих своя деятельность в сфере обращения СИ;
– координирует деятельность по участию государственных организаций во взаимном признании эталонов единым, сертификатов калибровки и измерений, заключает международные договоры по вопросам ОЕИ;
– применяет в пределах компетентности меры воздействия, предусмотренные законом ОЕИ и другими законодательными актами.
В Республике Беларусь действуют:
1) государственная метрологическая служба (Госстандарт РБ и его органы), куда входит институт метрологии;
2) лаборатории: поверочные, калибровочные, испытательные;
3) метрологические службы республиканских органов государственного управления;
4) государственные организации, подчиненные Совмину и местным распорядительным и исполнительным органам;
5) метрологические службы юридических лиц;
6) межотраслевые метрологические службы.
Госстандарт осуществляет государственный метрологический надзор и контроль.
Метрологический надзор – контроль по проверке соблюдения метрологических требований.
Он включает надзор по:
1) соблюдению требований;
2) выпуску, состоянию и применению СИ и измеряемого оборудования;
3) за деятельностью юридических и других лиц и их работе в области ОЕИ;
4) количеству товаров отчуждаемых при совершении торговых операций.
Метрологический контроль включает виды деятельности по определению фактических (действительных) значений метрологических характеристик контролируемого объекта.
Государственный метрологический контроль включает:
– утверждает тип СИ;
– поверку эталонов и СИ;
– калибровку эталонов и отдельных групп измеренных элементов;
– метрологическую аттестацию единичных экземпляров СИ;
– метрологическое подтверждение пригодности методик выполнения измерений.
Юридические лица осуществляют метрологический контроль:
– за соблюдением метрологических требований;
– за обращением средств измерения;
– за применением, ремонтом;
– применением МВИ;
– за количеством фасованных товаров в упаковках любого вида при их изготовлении, фасовании и поставке.
3 Классификация СИ и их характеристики
Все СИ по их метрологическому назначению, т.е. по роли в ОЕИ могут подразделяться на эталоны и рабочие (образцовые) эталоны СИ.
Образцовые СИ предназначены для передачи размера физической величины от эталона к рабочим СИ.
Рабочие СИ предназначены для определения действительных значений измеряемых величин.
По техническому назначению различают:
– меры – СИ, предназначенные для воспроизведения нескольких значений физической величины;
– измерительные приборы – СИ, которые предназначены для получения измерительной информации в форме доступной для восприятия наблюдателя;
– измерительные преобразователи – СИ, которые предназначены для преобразования, хранения измерительной информации в формах, исключая доступную для восприятия наблюдателя;
– измерительные установки – совокупность СИ, которая позволяет получать информацию об объекте измерения в меняющихся условиях;
– информационно – измерительные системы – совокупность СИ, вспомогательных устройств, вычислительных устройств, для получения измерительной информации, ее обработки, выдачи потребителю в требуемой форме.
4 Основные характеристики средств измерения электрических величин
Различают две группы характеристик СИЭВ:
– технические характеристики, т.е. знание которые необходимо для определения возможности измерения данной величины в данных условиях;
– метрологические характеристики – знания, которые необходимы для оценки результата измерений и его погрешности;
– область применения, включая диапазоны возможного изменения трех групп величин:
а) измеряемых;
б) влияющих;
в) неизмеряемых;
При выходе одной или нескольких величин за область применения, измерения становится либо невозможным, либо его погрешность очень высока.
К другим техническим характеристикам относятся характеристики надежности, условий применения и др.
Метрологические характеристики:
– чувствительность
Ѕ=∆α∕∆x ,
где ∆α- изменение показания прибора.
Вызвавшая это изменение величина
C=1∕Ѕ
Ѕ0 – относительная чувствительность
Ѕ0=∆α∕(∆x∕x);
– входной импеданс – характеристика, которая характеризует влияние СИ на объект измерений при его подключении;
– выходной импеданс – характеризует реакцию СИ на подключение к нему фиксированной нагрузки;
– вариация показаний;
5) динамические характеристики – быстродействие СИ и его способность к измерению быстроизменяющихся во времени величин;
6) характеристики точности СИ – различают основную погрешность СИ, которую оно имеет в нормальных условиях, и дополнительную, которая появляется в дополнение к основной при выходе условий за пределы нормальных;
7) существует еще ряд характеристик, указывающих на форму и характер представляемой ими информации.
Пределы этих метрологических характеристик (значений) устанавливаются несколькими способами.
Погрешности могут быть выражены в виде предела относительной погрешности, в виде предела абсолютной погрешности.
Приведенная погрешность прибора: γn=∆n∕xN ·100 %
Кроме того предел погрешности может быть выражен посредством формулы для расчета этого предела
∆n=±(a+bx),
где a – аддитивная составляющая,
bx – мультипликативная составляющая;
δn=±[ c+ d( |xn∕x| - 1) ],
где c – характеризует аддитивную составляющую;
d – характеризует мультипликативную составляющую;
xn – отношение предела измерения на наибольший из пределов.
В общем случае предел погрешности может выражаться многочленом. Для различных результатов измерений могут использоваться различные формулы.
В общем случае все характеристики СИ могут обобщенно нормироваться как класс точности. Для каждого из классов точности установлены пределы для всех основных характеристик СИ.
В простейших случаях обозначение класса точности в виде цифры означает предел погрешности:
0.5 – предел γn (шкала прибора неравномерная);
2.5 – предел относительной погрешности;
если предел погрешности нормируется в виде формулы
c ∕d
γn≤1.5 %
(нормирующее значение по ГОСТ 8- 401)
∆n =∆n· γn
5 Обобщенные структурные схемы СИЭВ
1 Метод прямого преобразования:
|
|
|
|
OУ – отсчетное устройство
Чувствительность этого прибора равна произведению чувствительностей.
2 Обобщенная структурная схема сравнения
для нулевой модификации (∆x=0) можно записать
xn =1/β ·x ,
где β – результирующий коэффициент преобразования в цепи обратной связи;
S=1/β
Если ∆x≠0 (дифференциальный метод)
xn=k/1+kβ · x
S= k/1+kβ
Комбинационные схемы – комбинирование первых двух схем.
Измерение токов и напряжений.
ЛИТЕРАТУРА
1 Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах: Учебник для ВУЗов. Нефедов В. И. и др.; Под ред. Нефедова В.И. - М.: Высш. шк., 2001.
2 Елизаров А.С. Электрорадиоизмерения - Мн.: Выш.шк., 2006.
3 У. Болтон. Справочник инженера-метролога. М. Додэка 2002.-386 с (пер. с англ.).
4 Дерябина М. Ю., Основы измерений. Учебное пособие. Мн., БГУИР, 2001.
5 Резин В.Т., Кострикин А.М. Метрология и измерения. Генераторные измерительные преобразователи. Методическое пособие. Мн., БГУИР, 2004.
6 Архипенко А. Г., Белошицкий А. П., Ляльков С. В. Метрология, стандартизация и сертификация. Учеб. пособие. Ч.2. Основы стандартизации. Мн.: БГУИР, 2007.
7 М. Тули. Справочное пособие по цифровой электронике. - М. Энерго-атомиздат, 2000. (пер. с англ.).
8 Электрические измерения /Под ред. А. В. Фремке и Е. М. Душина. - Л.: Энергия, 2000.
9 Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи. - Л.: Энергоатомиздат, 2003.
