книги / Специальные методы электрических измерений
..pdfк. Б. КАРАНДЕЕВ
СПЕЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ИЗМЕРЕНИЙ
ДОПУЩЕНО Министерством высшего
исреднего специального образования РСФСР
вкачестве учебного пособия для электротехнических
высших учебных заведений
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
МОСКВА |
1963 |
ЛЕНИНГРАД |
В книге изложены основные определения и понятия (классификация методов измерений, чув ствительность и погрешность измерений); образ цовые меры; нулевые указатели; вспомогательная аппаратура; мостовые методы поогоянного тока; мостовые методы переменного тока; компенсаци онные методы -постоянного и переменного тока; защита измерительных установок.
Книга предназначена для студентов энергети ческих факультетов :в качестве учебного пособия.
621.317.3 |
Карандеео Константин Борисович |
|
|
К 21 |
Специальные методы электрических измерений, М.—Л.. |
||
|
Г о с э н е р г о и з д а т , 1903, 344 |
с . с ч е р т . |
|
|
|
|
6П2.1.08 |
Редактор Л . А. Бибер |
Техи. редактор //. А. Бульдяев |
||
Сдано в набор 16/Х1 1962 г. |
Подписано к печати 16/11 1963 г. |
||
Т-00169 |
Бумага 84ХЮ8'/М |
17.63 п.*л. |
Уч.-нзд. л. 19 |
Тираж 20 00Э экз. |
Цена 77 кол. |
Заказ 2676 |
Типография № 1 Госэнергоиздата. Москва, Шлюзовая наб., 10.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Общеизвестна существенная роль электрических ме тодов измерения электрических и иеэлектрических вели чин в дальнейшем прогрессе науки и техники, столь не обходимом для создания материально-технической базы коммунизма; естественно, что этим методам вообще по священа обширная литература.
Предлагаемая вниманию читателей книга представ ляет собой попытку более или менее полного и система тического изложения сведений о некоторых, достаточно распространенных и важных методах электрических из мерений— мостовом и компенсационном. Главное внима ние при этом обращалось на выяснение физической сущ ности происходящих процессов. Поэтому автор созна тельно не пытался применить какой-либо единый метод расчета всех -вариантов измерительных цепей, хотя со временные методы теории линейных цепей такие возмож ности дают.
Пользуюсь случаем искренне поблагодарить всех сво их товарищей по работе, которые помогали мне при под готовке рукописи, и в первую очередь — К- М. Соболев ского, Г. А. Штамбергера, Ф. Б. Гриневича, Л. Д. Гика. В равной степени я искренне благодарен 'рецензенту — проф. М. И. Левину, сделавшему ряд весьма полезных указаний.
Все замечания, которые были бы очень желательны, просьба направлять по адресу: Москва, Ж-114, Шлюзо вая набережная, Госэнергонздаг.
К. Карандеев
Предисловие |
|
|
|
|
|
. |
|
|
3 |
|
Введение .................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
7 |
||
Глава первая. Основные определения и понятия |
|
13 |
||||||||
1-1. Классификация методов измерений |
|
|
|
|
13 |
|||||
1- 2. Общие сведения о чувствительности |
электриче |
19 |
||||||||
Глава |
вторая. Образцовые и |
рабочие |
меры |
26 |
||||||
ских величии |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
2- |
1. Общие понятия |
|
|
|
|
|
|
|
26 |
|
2-2. Меры сопротивления |
|
|
|
|
|
|
28 |
|||
2-3. Меры емкости |
|
|
|
|
|
|
|
|
32 |
|
2-4. |
Меры индуктивности . . . |
|
|
|
|
|
36 |
|||
2- |
5. Меры электродвижущей силы |
|
|
|
|
|
38 |
|||
Глава третья. Нулевые указатели постоянного и перст |
40 |
|||||||||
менного тока |
. . . |
|
|
|
|
|
|
|||
3- |
1. Виды нулевых |
у к азател ей ............ |
|
|
|
|
|
40 |
||
3-2. |
Магнитоэлектрический гальванометр . . . . |
|
45 |
|||||||
3- |
3. Электронные нулевые указатели переменного ток |
52 |
||||||||
Глава четвертая. Вспомогательная аппаратура . . . |
69 |
|||||||||
4- |
1. Виды вспомогательной |
аппаратуры; технические тре |
||||||||
|
бования |
. . . |
|
. . |
|
|
|
|
69 |
|
4-2. Источники питания постоянного тока . |
|
|
|
71 |
||||||
4-3. Стабилизаторы постоянного напряжения . |
|
|
|
73 |
||||||
4-4. Источники питания переменного тока . |
|
|
|
82 |
||||||
4- |
5. Вспомогательные усилители |
. . . . |
|
|
89 |
|||||
Глава пятая. Мостовой метод постоянного тока . |
93 |
|||||||||
5- |
1. Понятие о мостовом |
методе |
и |
цепях; |
их |
оси |
93 |
|||
5-2. |
элементы |
мосты . . . . |
|
|
|
|
|
|||
Четырехплечие |
|
|
|
|
|
95 |
||||
5-3. Двойные (шестиплечие) м о сты ................................................. |
|
постоянного |
тока |
105 |
||||||
5-4. Чувствительность |
мостовых цепей |
115 |
||||||||
5-5. Неуравновешенные и процентные мосты |
|
|
|
127 |
||||||
5- |
6. Конструкции |
мостов постоянного |
тока . |
|
|
148 |
||||
Глава шестая. Мостовой метод переменного тока . |
. . . |
152 |
||||||||
6- |
1. Общие свойства и классификация |
мостов |
переменного |
|||||||
|
то к а ................ |
|
............................ |
|
. |
|
|
152 |
||
6-2. Чувствительность |
мостов |
переменного тока . . . |
166 |
|||||||
6-3. Процесс уравновешивания моста |
и |
его |
топографиче |
181 |
||||||
|
ская диаграмма . |
........................ |
|
|
|
. |
||||
6*4. Сходимость мостов переменного тока . |
|
|
|
192 |
6-5. Раздельное уравновешивание и раздельный отсчет |
|
201 |
|||||||||
6-6. |
Основные |
схемы мостов переменного тока . . |
|
208 |
|||||||
6-7. Квазиуравновешенные мосты переменного тока |
|
237 |
|||||||||
6- |
8. Процентные |
мосты |
переменного |
тока . . . |
|
|
246 |
||||
Глава |
седьмая. |
Компенсационный |
метод |
постоянного |
253 |
||||||
т о к а ........................... |
|
|
и |
. . |
|
................... |
|
||||
7- |
1. Основной принцип |
развитие |
компенсационного |
ме |
|||||||
7-2. |
тода .......................................................................... |
|
цепи |
компенсаторов |
постоянного тока |
253 |
|||||
Практические |
276 |
||||||||||
7-3. Чувствительность компенсаторов постоянного тока |
|
290 |
|||||||||
7- |
4. Применение |
компенсационного |
метода |
постоянного |
|||||||
Глава |
т о к а ................................................................................................... |
Компенсационный |
метод |
переменного |
298 |
||||||
восьмая. |
304 |
||||||||||
т о к а .......................................................... |
|
компенсационного |
метода |
|
|
||||||
8- |
1. Особенности |
переменного |
|||||||||
8-2 |
т о к а ............................. |
|
|
|
|
. |
. . . |
. . . |
, |
304 |
|
Принципы построения и практические цепи |
компенса |
310 |
|||||||||
8- |
торов переменного тока . |
|
|
............................. |
|||||||
3. Применение |
компенсационного |
метода |
переменного |
||||||||
|
т о к а ............................................................................ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
321 |
Глава девятая. Защита измерительных установок |
|
323 |
|||||||||
9- |
1. Основные источники |
погрешностей |
|
|
|
323 |
|||||
9-2. Защита установок постоянного тока |
|
|
|
323 |
|||||||
9-3. Защита установок переменного тока |
|
|
|
337 |
|||||||
Литература |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
341 |
ВВЕДЕНИЕ
Познавательный процесс, в результате которого уста навливается определенное соотношение между исследуе мой величиной и некоторой другой, ей однородной, вы бранной за единицу, носит название и з м е р е н и я .
Трудно в настоящее время переоценить значение из мерений для науки и техники в целом. Проведение ка кого-либо физического экспериментального исследова ния немыслимо без наличия совершенной измерительной методики. Подчас разработка такой методики представ ляет собой основную трудность всей работы в целом и может дать сама по себе плодотворные результаты. В ка честве примера можно указать на методику эксперимен та, разработанную в процессе определения скорости све та, которая легла в основу интерференционных методов измерения длины. Ныне эти методы являются одними из наиболее точных и совершенных и широко применяются в измерительной практике-—без всякой связи с их пер воначальной целевой установкой.
Что касается роли измерений в технике, то достаточ но напомнить, что основной современный технический принцип — взаимозаменяемость деталей — неосуществим без широко развитой и технически совершенной измери тельной базы. Все вопросы, связанные с качеством про дукции, экономичностью производства, борьбой с браком и т. д., также в конечном счете определяются измерения ми. Без преувеличения можно утверждать, что состояние измерительного хозяйства следует рассматривать как основной показатель технической культуры промышлен ного предприятия.
Все сказанное, справедливое для любой отрасли нау ки и техники, в особой степени справедливо для элек тротехники и электрофизики, которые ныне необычайно
широко распространились, захватывая все новые и но вые области применения. Поэтому возможность правиль ного контроля работы электрических установок весьма существенна.
Помимо этого, надо заметить, что тенденция к элек трификации в явной форме и очень широко коснулась также и самой измерительной техники. Благодаря высо кой степени совершенства и экспериментальному удоб ству электрических методов измерений за последнее вре мя все шире распространяются приемы измерений, сво дящиеся к преобразованию величины, подлежащей из мерению, в функционально связанную с ней электриче скую и последующему непосредственному определению именно этой электрической величины. Подобные «мето ды электрических измерений иеэлектрических величин» завоевали себе широкое признание.
Сказанного, вероятно, уже достаточно, чтобы опреде лить важное значение методов электрических измерений. Однако дальнейшие тенденции научного и технического прогресса еще больше подчеркивают это значение. Мы имеем в виду возрастающую роль автоматизации произ водственных процессов, настоятельная необходимость которой в создании материальной базы коммунизма оп ределена Программой Коммунистической партии Совет ского Союза.
Как известно, любое автоматическое устройство нуж дается в первую очередь в получении надежной инфор мации о ходе автоматизируемого процесса, что осущест вляется при помощи тех или иных чувствительных орга нов, т. е. по существу некоторых измерительных уст ройств. Поэтому развитие автоматики требует наряду с другими техническими средствами также и широкого развития устройств автоматического контроля!. Прин цип же действия любого измерительного автомата осно вывается на том или ином, преимущественно на элек трическом, методе измерения. Таким образом, развитие и изучение измерительной техники вообще и методов электрических измерений в частности 'ныне является задачей, несомненно, актуальной.
1 Следует заметить, что устройства автоматического контроля имеют и самостоятельное значение для неавтоматизированного про изводства.
Однако прежде чем говорить о «методах электриче ских измерений», необходимо, естественно, отчетливо сформулировать определение этого понятия и ограничить круг вопросов, о которых будет идти речь в дальнейшем.
Под «методом, измерения» мы будем понимать спо соб п о л у ч е н и я интересующего нас результата изме рения, т. е. различные приемы, посредством которых осу ществляется измерение. Очевидно, что с технической стороны каждый метод будет характеризоваться опреде ленной совокупностью физических приборов (основных и вспомогательных) и приемов эксперимента.
Такое общее определение — очень широко: ему отве чает любой случай измерения любой величины, в том числе и электрической. Поэтому мы вынуждены как-то ограничить круг своих интересов. В дальнейшем будем рассматривать только мостовой и компенсационный ме тоды измерений. Оба эти метода обеспечивают возмож ность выполнения прямых или косвенных измерений практически всех электрических величин. Характерным специальным их свойством является то, что они относят ся к категории методов уравновешивания, т. е. требуют для получения результатов измерения производства не которых вспомогательных действий.
До недавнего времени 'использование мостового и компенсационного методов измерения ограничивалось почти исключительно областью лабораторных исследо ваний. Лишь за последние годы эти методы получили более широкое распространение; эго объясняется значи тельным развитием техники измерения неэлектрических величин электрическими методами и автоматизации кон троля и управления производственными процессами.
В -связи с этим мостовой и компенсационный методы измерения, часто лежащие в основе построения измери тельной схемы, начали применяться в цеховых и поле вых условиях.
Наглядным примером такого 'применения является область электрической тензометрии с проволочными дат чиками сопротивления; сложная аппаратура тензометри ческих схем основана на использовании мостового и компенсационного методов измерения.
Требования надежности и удобства в эксплуатации вызывают необходимость непрерывного совершенствова
ния основной и вспомогательной аппаратуры и широкого применения достаточно точных автоматических прибо ров, с помощью которых производятся измерения именно этими 'методами.
В автоматических мостах и компенсаторах (потен циометрах) уравновешивание измерительной цепи 'про изводится не человеком непосредственно, а при по мощи некоторой автоматической системы. Благодаря этому результат измерения может быть непосредствен но прочитан по шкале 1 или автоматически записан, или, наконец, передан в качестве информационного сигнала на вход управляющего устройства. В последнем случае, а также при создании более сложных контрольных авто матов все чаще применяется счетно-логическая обработ ка результатов измерения при помощи вспомогатель ных вычислительных узлов.
Таким образом, мы приходим ко вое более и более сложным измерительным устройствам автоматического действия — так называемым измерительным информаци онным системам. Под такими системами подразуме ваются самоуправляющиеся устройства с автоматиче ским многократным (во многих точках) измерением и обработкой информации по некоторому заданному алго ритму. Результатом работы такой кибернетической ма шины являются специально обработанные данные мно жественного контроля (в виде таблиц, кривых, статисти ческих характеристик и т. д.) или некоторые комплекс ные показатели, полученные в результате обработки первичной информации (например, к. п. д. двигателя, минутная производительность домны или какой-либо химической реакции и т. д.). Измерительные информа ционные системы за последние годы находят все более и более широкое применение как в области промышлен ного контроля, так и при научных экспериментах; нача та разработка их общей теории.
Целесообразность и перспективность подобной кибер нетизации измерений несомненны хотя бы с двух точек
1 Появление и распространение подобных автоматических при боров привели к тому, что существующее понятие «прибор с непо средственным отсчетом» в противоположность приборам сравнения («с наводкой») стало недостаточно четким и, видимо, нуждается в уточнении.
зрения: облегчения труда человека и улучшения резуль татов самого измерения.
Действительно, при измерениях от человека практи чески не требуется заметного физического труда (если не считать вспомогательных операций, например пере носку контролируемых деталей и т. п.). Труд измерителя прежде всего— труд умственный, хотя в зависимости от обстоятельств — разной степени интеллектуальности.
Следует подчеркнуть, что часто этот труд весьма уто мителен; действия контролера-браковщика в силу своего однообразия могут быть более изнурительны, нежели производство каких-либо гораздо более сложных, но зато более «интересных» и разнообразных работ. Следова тельно, автоматизация измерений — одни из аспектов общей проблемы автоматизации умственного труда вооб ще, которой ныне придается большое значение. Недаром в Программе КПСС специально подчеркивается необ ходимость развития теории и применения вычислитель ных, управляющих и информационных машин.
Однако, помимо свойственного политике Советского государства желания облегчить тяжелый труд человека,
есть еще и чисто практическая необходимость в такой автоматизации. Мы имеем в виду ограниченность физи ческих возможностей человека, иногда тормозящих даль нейший прогресс. В первую очередь это относится к спо собности человека воспринимать и перерабатывать ин формацию, в том числе и измерительную. Известно, что информационная пропускная способность нервной систе мы человека достаточно ограничена, хотя и может быть несколько повышена специальной тренировкой. Любые автоматы превосходят возможности человека в быстро действии получения и переработки информации, хотя, естественно, не обладают 'свойственной человеку гиб костью, приспособляемостью к изменению условий и надежностью восприятия. Существенно и то, что ма шина не утомляется, может работать в условиях, вред ных дл«я человека, и не реагирует на многие случайные, не относящиеся к ее программе обстоятельства (напри мер, не «пугается» при неожиданных громких звуках, вспышках и т. д.). Поэтому замена человека автоматом во многих ответственных и сложных случаях измеритель ной практики не только целесообразна, но и необходима.