Средства измерений. 
Технические измерения и приборы

Средствами измерений называют технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные погрешности.

Различают следующие виды средств измерений: '.

• 1) меры;
• 2) измерительные преобразователи;
• 3) измерительные приборы;
• 4) измерительные установки;
• 5) измерительные информационные системы.

Указанная классификация выстроена в порядке усложнения средств измерений и условна в том смысле, что одни виды средств измерений могут являться составной частью других видов. Например, измерительная установка состоит из ряда средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, расположенных в одном месте. При помощи таких установок можно в ряде случаев производить более сложные и более точные измерения, чем при помощи отдельных измерительных приборов. Электроизмерительные установки широко используются, в частности, для поверки и градуировки электроизмерительных приборов и испытаний магнитных материалов.

Меры

Мерой называется средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Примером мер являются измерительная катушка сопротивления и гиря.

Набор мер представляет собой специально подобранный комплект мер для воспроизведения ряда одноименных величин различного размера, например, магазин сопротивлений.

Однозначные меры воспроизводят одно значение физической величины, например, стабильные источники питания. Многозначные меры воспроизводят плавно или дискретно ряд значений одной и той же величины, например, измерительные генераторы и калибраторы напряжения.

Мера разности электрических потенциалов является электрохимическим эталонным элементом, который известен как нормальный элемент Вестона. При 20 °C напряжение элемента Вестона приблизительно равно 1 В с погрешностью 3*10⁶ при оптимальных условиях. Эти оптимальные условия заключаются в том, что изменения температуры не превосходят 10'³ К, а также отсутствуют нагрузка и вибрации.

Мера электрического тока реализуется с помощью инструмента, носящего название токовых весов (рис. 1.1).

Рис. I.J. Токовые весы

В этом инструменте электромагнитная сила взаимодействия двух катушек, по которым текут токи, измеряется путем уравновешивания ее силой тяжести, действующей на известную массу. Одна из катушек закреплена, а другая сделана подвижной.

Сила притяжения между катушками выражается формулой:

где I — сила тока; М- известная взаимная индукция катушек; а х — известное расстояние между ними.

Значение производной взаимной индукции катушек определяется из геометрии катушек. С помощью токовых весов можно достичь погрешности порядка 3 ^х 10'⁶. Токовые весы — это пример пассивного эталона, так как информация содержится в конструкции эталона.

Мерой электрического сопротивления являются резисторы, намотанные проволокой из сплава, свойства которого в наименьшей степени зависят от температуры. Примером такого сплава является званом, который состоит из 74% никеля, 20% хрома и 6% алюминия и железа. Этот сплав обычно применяют для высокоомных эталонов порядка 10 кОм. Для получения малых сопротивлений порядка 1 Ом часто используют манганин. Эталоны сопротивлений высокого порядка помещают в термостат, температуру в котором поддерживают с очень большой точностью. Меры сопротивления чувствительны к влажности и нагреванию за счет рассеяния энергии на самом эталоне. Низкоомные меры бывают снабжены двумя парами выводов: токовыми выводами и выводами для измерения напряжения. Это сделано для того, чтобы при измерении сопротивления избежать влияния сопротивления контактов и подводящих проводов. Такие меры позволяют достичь погрешности порядка 10^-6.

Наборы различных катушек сопротивлений, смонтированных в одном корпусе, называются магазинами сопротивлений. Катушки сопротивлений, используемые в магазинах, по конструкции проще образцовых катушек и поэтому уступают им по точности. Специальные переключатели позволяют набирать из имеющихся в магазине катушек различные значения сопротивлений. В паспортах магазинов сопротивлений обычно указываются допустимые погрешности магазина, допустимый ток, нагрузка в ваттах на катушку и частотный диапазон. Магазины сопротивлений могут служить не только мерами, но и реостатами для регулирования тока и напряжения Проволочные резисторы стареют и могут обладать слишком большим дрейфом. Поэтому в настоящее время эталоны сопротивлений основаны на так называемом квантовом эффекте Холла. Этот метод позволяет привязать единицу электрического сопротивления, Ом, к неизменяемым во времени физическим константам. Эффект Холла состоит в том, что если к пластине из металла или полупроводника приложено напряжение питания и ее пронизывает под прямым углом магнитное поле, обладающее индукцией В, то возникает напряжение Холла U, перпендикулярное направлению тока / от источника питания и направлению магнитного поля (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Эффект Холла Напряжение Холла равно.

где к — постоянная Холла, h — толщина полупроводника.

У зависимости напряжения Холла от интенсивности магнитного поля имеются так называемые плато. Результирующие квантовые сопротивления Холла выражаются через величины тока, напряжение Холла и фундаментальные физические постоянные. Этот метод позволяет задать единицу электрического сопротивления с погрешностью 2* 10'⁷.

Мера емкости состоит из четырех коаксиальных цилиндров, образующих конденсатор, емкость которого будет зависеть только от длины цилиндров. Такой конденсатор особенно удобен в качестве меры емкости, так как точно необходимо определять только длину, что реализуется методами оптической интерференции. Эти цилиндрические конденсаторы, называемые конденсаторами Томпсона-Лампара позволяют достичь погрешности меньше 10″ ⁸. Неудобство заключается в том, что емкость мала — около 2 пФ на метр. В качестве мер низших порядков используются другие конфигурации электродов, обеспечивающие большие значения емкостей, но обладающие также и большими погрешностями.

Меры индуктивности представляют собой катушки индуктивности, сохраняющие постоянство индуктивности с течением времени и обладающие малым активным сопротивлением, независимостью индуктивности от значения тока и возможно малой зависимостью индуктивности от частоты и температуры. Конструкция состоит из пластмассового или фарфорового каркаса с наложенной на него обмоткой из медной изолированной проволоки. Использование каркаса из немагнитного материала исключает зависимость индуктивности от тока в катушке. Для уменьшения влияния внешних магнитных полей катушки экранируют.

В качестве образцовых и рабочих мер переменной индуктивности и взаимной индуктивности служат вариометры. Вариометр состоит из двух катушек, одна из которых подвижная. Она может перемещаться относительно неподвижной катушки. Путем изменения взаимного расположения катушек можно плавно изменять значение индуктивности или взаимной индуктивности. Точность вариометров ниже точности образцовых катушек индуктивности.

Наборы различных катушек индуктивностей, смонтированных в одном корпусе, называются магазином индуктивностей. Иногда в состав магазина индуктивностей входит также вариометр.

Мера частоты основана на квантово-механическом эффекте, заключающемся в том, что электрон в атоме может занимать только один из ограниченного числа уровней энергии. Когда электрон переходит на более высокий или на более низкий уровень энергии, происходит, соответственно, поглощение или испускание фотона, энергия которого, равная разности энергий уровней, связана с частотой колебаний в фотоне. Когда атомы подвергаются воздействию электромагнитного излучения частоты электроны переходят на более высокие уровни энергии. Подходящими переходами между двумя энергетическими уровнями основного состояния обладает цезий-133. Соответствующая этому переходу частота равна 9,192 ГГц. Для того, чтобы точно подстроить частоту эталона к значению частоты, соответствующей большинству происходящих переходов, в петле обратной связи применяют кварцевый генератор. Относительная погрешность этого атомного стандарта частоты может быть порядка 10'¹².