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:





  ОУ

  Пn

  П2

  П1

 x x1 xn 

 OУ – отсчетное устройство

Чувствительность этого прибора равна произведению чувствительностей.



2 Обобщенная структурная схема сравнения





Схема сравнения

  П1

Мера

 П’n

  Пn

 П’1

 ОУ

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.