Значення й роль електричних та радіотехнічних вимірювань. Методи й похибки вимірювань.

Вимірювання є основним способом одержання достовірної інформації про властивості об’єктів навколишнього матеріального світу.

Вимірювання – експериментальне одержання значення фізичної величини за допомогою спеціальних технічних засобів шляхом порівняння вихідного сигналу з мірою.

Спочатку люди обмежувалися вимірюванням механічних та інших неелектричних величин за допомогою механічних засобів вимірювання. Ці засоби є простими і надійними, але через велику інерційність вони не придатні для виміру величин, що швидко змінюються, а через складність посилення потужності механічними методами мають низьку чутливість. Від таких недоліків вільні пневматичні, оптичні й електричні засоби вимірювання.

На сьогодні найбільш часто застосовними є електричні вимірювальні прилади, які, завдяки цілому ряду позитивних якостей, посіли чільне місце серед засобів вимірювальної техніки. До основних переваг електричних вимірювань відносяться:

– універсальність (можуть вимірюватися і неелектричні величини після їх попереднього перетворення в електричні);

– можливість контролю за приладами з будь-якої відстані, завдяки можливості передачі електричних сигналів по проводах і за допомогою електромагнітних хвиль;

– простота автоматизації вимірювальних процесів, тому що електричні кола мають властивість виконувати логічні операції;

– здатність вимірювати величини, які швидко змінюються, через наявність малоінерційних електровимірювальних засобів;

– висока чутливість засобів вимірювання і висока точність вимірів, що зумовлені можливістю посилення електричних сигналів.

Перший електричний вимірювальний прилад – прототип електрометра – прилад, призначений для вивчення атмосферної електрики, – створив у 1753 році російський академік Георг Вільгельм Ріхман. Основний розвиток електровимірювальної техніки припав на другу половину XIX сторіччя.

В основі роботи електровимірювального приладу – перетворення електричної енергії в інші види енергії: механічну, теплову, електромагнітну. Для виконання виміру потрібні міра і прилад порівняння (наприклад: міра – гиря, прилад порівняння – ваги з коромислом). У більшості приладів міра при проведенні вимірювань не використовується, тому що вона була застосована при градуюванні шкали приладу і відображена на його шкалі.

Вимірювання є одним з основних способів пізнавання природи, її явищ і законів. Кожному новому відкриттю в області природних і технічних наук передує велика кількість різноманітних вимірювань. Німецький фізик Г.Ом встановив основний закон електричного кола (закон Ома) у 1826р. шляхом ряду точних експериментів, а у 1827р. дав йому теоретичне обґрунтування. Важливу роль вимірювання відіграють також у створені нових машин, споруд, підвищені якості продукції та ефективності виробництва.

Вимірювання — пізнавальний процес визначення числового значення вимірюваної величини; дія, спрямована на знаходження значення фізичної величини дослідним шляхом, порівнюючи її з одиницею вимірювання за допомогою засобів вимірювальної техніки.

Числове значення вимірюваної величини — число, яке виражає відношення між двома величинами однакової природи — вимірюваною та одиницею вимірювання.

Згідно із ДСТУ 2681-94:

Вимірювання — відображення фізичних величин їх значеннями, за допомогою експерименту та обчислень із застосуванням спеціальних технічних засобів.

У цьому визначенні закладені такі головні ознаки поняття «вимірювання»:

 вимірювати можна властивості реально існуючих об'єктів пізнання — фізичні величини;

 вимірювання вимагає проведення дослідів, тобто теоретичні міркування чи розрахунки не замінять експеримент;

 результатом вимірювання є фізична величина, котра відбиває значення вимірюваної величини.

Згідно із Законом України «Про метрологію та метрологічну діяльність», що набрав чинності з 01.01.2016 року, вимірюванням вважається процес експериментального визначення одного або декількох значень величини, які можуть бути обґрунтовано приписані величині.

Електричні вимірювання

Для вимірювання в електричних колах застосовують прилади безпосередньої оцінки та порівняння (перші – показують числове значення вимірюваної величини, у других – вимірювана величина порівнюється із зразковою мірою).

Класифікація електричних вимірювань. Вимірювання класифіковані на:

• електричні й неелектричні;

• статичні і динамічні;

• безпосередньої оцінки та порівняння;

• прямі, непрямі, сукупні.

Ознакою поділу вимірювань на електричні й неелектричні є наявність або відсутність у вимірювальному колі перетворення в електричний сигнал. У більшості випадків неелектричні величини вимірюють електричними методами.

Поділ вимірювань на статичні і динамічні визначається співвідношенням між значеннями статичної і динамічної складової похибки вимірювань.

Метод безпосередньої оцінки полягає в тому, що значення вимірюваної величини визначають за показаннями одного (прямі вимірювання) або кількох (непрямі вимірювання) приладів, які завчасно були проградуйовані в одиницях вимірюваної величини.

Метод порівняння – метод електричних вимірювань, за яких вимірювана величина порівнюється з мірою. Характерною рисою методу порівняння є безпосередня участь мір у процесі вимірювання.

Прямі вимірювання – вимірювання, при яких значення вимірюваної величини знаходять безпосередньо з дослідних даних шляхом порівняння її величини з величиною, відтвореною мірою або шкалою приладу.

Непрямі вимірювання – вимірювання, при яких значення вимірюваної величини знаходять за проміжними результатами, отриманими за допомогою вимірювання інших величин. Наприклад, електричний опір R можна розрахувати за допомогою закону Ома на основі результатів вимірювання напруги U та сили струму I: . Непрямі вимірювання застосовують у тих випадках, коли величину неможливо виміряти безпосередньо або коли непрямі вимірювання забезпечують більш високу точність вимірювання.

Сукупні вимірювання – вимірювання декількох однойменних величин, значення яких потім знаходять за допомогою математичного розв’язання системи рівнянь, у яку входять ці величини. 

Вимірювання електричних величин

У колах постійного струму вимірюють напругу, струм, потужність та електричну енергію.

Використовують такі прилади: вольтметр, амперметр, ватметр, лічильник електричної енергії.

У колах змінного струму вимірюють, крім приведених величин для кіл постійного струму, ще частоту та коефіцієнт потужності. Використовують такі прилади: вольтметр, частотомір, амперметр, ватметр, фазометр, лічильник активної енергії.

Заради розширення границь вимірювання приладів у колах постійного струму застосовують додаткові резистори та шунти. А у колах змінного струму застосовують вимірювальні трансформатори струму та напруги.

Похибки вимірювань

Точність вимірювального приладу – показник, що характеризує ступінь наближення показань приладу до дійсних значень вимірюваної величини.

Похибка вимірювань буває: абсолютною, відносною та приведеною.

За причиною появи похибка буває: систематичною, випадковою, похибкою наглядача, основною та додатковою.

Систематична похибка – похибка, що залишається сталою (зумовлена недосконалістю вимірювального приладу, зовнішніми впливами на прилад тощо).

Випадкова похибка – похибка, що постійно змінюється (зумовлена непередбачуваним впливом на процес вимірювання).

Похибка оператора – похибка, зумовлена впливом людського фактора (наприклад, необачність).

Основна похибка – похибка, зумовлена похибкою вимірювальних приладів за їх нормальної експлуатації.

Додаткова похибка – похибка, зумовлена похибкою вимірювальних приладів при відхиленні від умов їх нормальної експлуатації.

Порядок розрахунку величини похибки залежить від виду виміру (прямий або непрямий).