П.К. Хромоин







                ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ




3-е издание, исправленное и дополненное






Рекомендовано Методическим советом Учебно-методического центра по профессиональному образованию Департамента образования города Москвы в качестве учебного пособия для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования

МОСКВА

2016

УДК 621.3
ББК 31.294.9
      Х94




Рецензент ы:
доктор физико-математических наук М. Б. Гальперин; председатель цикловой комиссии, преподаватель спецдисциплин Обнинского политехникума Н. П. Молоканова





      Хромоин П.К.
Х94 Электротехнические измерения : учебное пособие / П.К. Хромоин. — 3-е изд., испр. и доп. — М. : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2016. — 288 с. : ил. — (Профессиональное образование).

        ISBN 978-5-00091-183-9 (ФОРУМ)
        ISBN 978-5-16-011669-3 (ИНФРА-М, print)
        ISBN 978-5-16-104040-9 (ИНФРА-М, online)

        Учебное пособие предназначено для формирования необходимых профессиональных компетенций электротехника при пользовании измерительными приборами и оптимизации выбора измерительного оборудования. Содержание соответствует программе учреждений среднего профессионального образования по специальности «Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования предприятий и гражданских зданий».
        Пособие может быть полезно студентам смежных специальностей, программа образования которых включает вопросы измерений в энергетических системах с напряжением до 1000 Вив низкочастотных электрических цепях.

Эжктронно-

znanium.com

Соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту 3-го поколения










ISBN 978-5-00091-183-9 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-011669-3 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-104040-9 (ИНФРА-М, online)


УДК 621.3
ББК 31.294.9

© Хромоин П. К., 2008, 2011, 2015
© Издательство «ФОРУМ», 2008, 2011, 2015

            Введение









   Измерения количественно характеризуют окружающий материальный мир. Известный русский ученый Б. Я. Якоби образно высказался о значении измерений для человека: «Искусство измерения является могущественным оружием, созданным человеческим разумом для проникновения в законы природы и подчинения ее сил нашему господству».
   В практической жизни человек всюду имеет дело с измерениями. На каждом шагу встречаются и известны с незапамятных времен измерения таких величин, как длина, объем, вес, время и др.
   Потребность в измерениях возникла в незапамятные времена. Для этого в первую очередь использовались подручные средства. Например, в странах Ближнего Востока родилась единица веса драгоценных камней карат, что в переводе означает «семя боба», «горошина»; в Европе получила распространение единица аптекарского веса гран, что в переводе с латыни означает «зерно».
   Древние вавилоняне установили год, месяц, час. Впоследствии 1/86 400 часть среднего периода обращения Земли вокруг своей оси (суток) получила название секунды.
   В Вавилоне во II в. до н. э. время измерялось в минах. Мина равнялась промежутку времени (равному примерно двум астрономическим часам), за который из принятых в Вавилоне водяных часов вытекала «мина» воды, масса которой составляла около 500 г. Затем мина сократилась и превратилась в привычную для нас минуту. Со временем водяные часы уступили место песочным, а затем более сложным маятниковым механизмам.
   В Двинской грамоте Ивана Грозного (1550 г.) регламентированы правила хранения и передачи размера новой меры сыпучих веществ — осьмины. Ее медные экземпляры рассылались по городам на хранение выборным людям — старостам, сотским, це

Введение

ловальникам. С этих мер надлежало сделать клейменые деревянные копии для городских померщиков, а с тех, в свою очередь, — деревянные копии для использования в обиходе.
   Метрологической реформой Петра I к обращению в России были допущены английские меры, получившие особенно широкое распространение на флоте и в кораблестроении, — футы, дюймы. В 1736 г. по решению Сената была образована Комиссия весов и мер под председательством главного директора Монетного двора графа М. Г. Головкина. В состав комиссии входил Леонард Эйлер. В качестве исходных мер комиссия изготовила медный аршин и деревянную сажень, за меру веществ было принято ведро московского Каменномостского питейного двора. Важнейшим шагом, подытожившим работу комиссии, было создание русского эталонного фунта.
   Идея построения системы измерений на десятичной основе принадлежит французскому астроному Г. Мутону, жившему в XVII в. Позже было предложено принять в качестве единицы длины одну сорокамиллионную часть земного меридиана. На основе единственной единицы — метра строилась вся система, получившая название метрической.
   В России указом «О системе Российских мер и весов» (1835 г.) были утверждены эталоны длины и массы — платиновая сажень и платиновый фунт.
   В соответствии с международной Метрологической конвенцией, подписанной в 1875 г., Россия получила платиноиридие-вые эталоны единицы массы № 12 и 26 и эталоны единицы длины № 11 и 28, которые были доставлены в новое здание Депо образцовых мер и весов. В 1892 г. управляющим Депо был назначен Д. И. Менделеев, которое он в 1893 г. преобразует в Главную палату мер и весов — одно из первых в мире научно-исследовательских учреждений метрологического профиля.
   Метрическая система в России была введена в 1918 г. декретом Совета Народных Комиссаров «О введении Международной метрической системы мер и весов».
   Развитие естественных наук привело к появлению все новых и новых средств измерений, а они, в свою очередь, стимулировали развитие наук, становясь все более мощным средством исследования.
   Велико значение измерений в современном обществе. Они служат не только основой научно-технических знаний, но имеют

Введение

5

первостепенное значение для учета материальных ресурсов и планирования, для внутренней и внешней торговли, для обеспечения качества продукции, взаимозаменяемости узлов и деталей и совершенствования технологии, для обеспечения безопасности труда и других видов человеческой деятельности.
   Ускорение научно-технического прогресса, темпов роста производительности труда, повышение качества продукции (надежности, экономичности, технологичности изделий) неразрывно связаны с увеличением объема экспериментальных работ и, соответственно, с объемом получаемой и перерабатываемой измерительной информации. Повышаются требования к экспериментальным исследованиям: необходимо сокращать сроки проведения опытных разработок, добиваться высокой точности измерений и результатов научно-исследовательских работ.
   Измерение может осуществляться при наличии соответствующих технических средств и отработанной методики проведения измерений. В интересах всех стран измерения, где бы они ни выполнялись, должны быть согласованы, чтобы результаты измерений одинаковых величин, полученные в разных местах и с помощью различных измерительных средств, были бы воспроизводимы на уровне требуемой точности. Эти требования способна обеспечить стандартизация на международном, региональном и национальном уровнях.
   Правовые основы стандартизации в Российской Федерации устанавливает Закон РФ «О техническом регулировании» от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ. Он обязателен для всех государственных органов управления, а также предприятий и предпринимателей, общественных объединений. В нем отражены меры государственной защиты интересов потребителей и государства путем разработки и применения нормативных документов по стандартизации.
   В 1993 г. принята новая редакция комплекса государственных основополагающих стандартов «Государственная система стандартизации Российской Федерации (ГСС)».
   ГСС устанавливает общие организационно-технические правила стандартизации в Российской Федерации. Положения стандартов ГСС применяют государственные органы управления, субъекты хозяйственной деятельности, научно-технические, инженерные общества и другие общественные объединения, в том числе технические комитеты (ТК) по стандартизации.

Введение

   Неизбежные изменения и дополнения приближают систему стандартизации в РФ к международным правилам и учитывают реалии рыночной экономики. Полностью обновлены положения ГСС, касающиеся государственного контроля и надзора за соблюдением обязательных требований стандартов и правил сертификации. Определенные изменения в соответствии с рекомендациями Международной организации по стандартизации (ИСО) и Международной электротехнической комиссии (МЭК) внесены и в терминологию. Приближение правил отечественной стандартизации к международным отражено также в трактовке требований государственного стандарта (они разделены на обязательные для выполнения и рекомендательные). Исключены правила по установлению в стандартах требований к изготовителям о предоставлении гарантии. Следуя международному опыту, их относят к коммерческим, не подлежащим стандартизации, а оговариваемым в договорных отношениях.
   Новая система стандартизации дает возможность участвовать в процессе создания стандарта всем заинтересованным сторонам: изготовителям продукции, потребителям, разработчикам проектов, представителям общественных организаций, отдельным специалистам и т. д.

            Глава 1 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТРОЛОГИИ. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ПОГРЕШНОСТИ









1.1. Определение и классификация измерений, методов и средств измерений. Единицы физических величин

   Федеральный закон «Об обеспечении единства измерений» от 27.04.1993 осуществляет регулирование отношений, связанных с обеспечением единства измерений в Российской Федерации, в соответствии с Конституцией РФ.
   Основные статьи Закона устанавливают:
   • основные понятия, применяемые в Законе;
   • организационную структуру государственного управления обеспечением единства измерений;
   • нормативные документы по обеспечению единства измерений;
   • единицы величин и государственные эталоны единиц величин;
   • средства и методики измерений.
   Закон определяет Государственную метрологическую службу и другие службы обеспечения единства измерений, метрологические службы государственных органов управления и юридических лиц, а также виды и сферы распределения государственного метрологического контроля и надзора.
   Отдельные статьи Закона содержат положения по калибровке и сертификации средств измерений и устанавливают виды ответственности за нарушение Закона.
   Становление рыночных отношений наложило отпечаток на статью Закона, которая определяет основы деятельности метро

Глава 1. Основные сведения о метрологии...

логических служб государственных органов управления и юридических лиц. Вопросы деятельности структурных подразделений метрологических служб на предприятиях стимулируются чисто экономическими методами.
   В тех сферах, которые не контролируются государственными органами, создается Российская система калибровки, также направленная на обеспечение единства измерений. Госстандарт РФ назначил центральным органом Российской системы калибровки Управление технической политики в области метрологии.
   Положение о лицензировании метрологической деятельности направлено на защиту прав потребителей и охватывает сферы, подлежащие государственному метрологическому контролю и надзору. Право выдачи лицензии предоставлено исключительно органам Государственной метрологической службы.
   Закон создает условия для взаимодействия с международной и национальными системами измерений зарубежных стран. Это прежде всего необходимо для взаимного признания результатов испытаний, калибровки и сертификации, а также для использования мирового опыта и тенденций в современной метрологии.
   Вопросами теории и практики обеспечения единства измерений занимается метрология. Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
   Метрология имеет большое значение для прогресса естественных и технических наук, так как повышение точности измерений — одно из средств совершенствования путей познания природы человеком, открытий и практического применения точных знаний.
   Для обеспечения научно-технического прогресса метрология должна опережать в своем развитии другие области науки и техники, ибо для каждой из них точные измерения являются одним из основных путей их совершенствования.
   Основными задачами метрологии являются:
   • установление единиц физических величин, государственных эталонов и образцовых средств измерений;
   • разработка теории, методов и средств измерений и контроля; обеспечение единства измерений;
   • разработка методов оценки погрешностей, состояния средств измерения и контроля;

1.1. Определение и классификация измерений...

9

   • разработка методик передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам измерений.
   Измерением называется совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения измеряемой величины с ее единицей (сравнение) и получение значения этой величины. Измерения должны выполняться в общепринятых единицах.
   Метрологическое обеспечение (МО) — установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений.
   В перечень основных задач метрологического обеспечения в технике входят:
   • определение путей наиболее эффективного использования научных и технических достижений в области метрологии;
   • стандартизация основных правил, положений, требований и норм метрологического обеспечения;
   • согласование приборов и методов измерения, проведение совместных измерений с помощью отечественной и зарубежной аппаратуры (интеркалибрация);
   • определение рациональной номенклатуры измеряемых параметров, установление оптимальных норм точности измерений, порядка выбора и назначений средств измерений;
   • организация и проведение метрологической экспертизы на стадиях разработки, производства и испытаний изделий;
   • разработка и применение прогрессивных методов измерений, методик и средств измерений;
   • автоматизация сбора, хранения и обработки измерительной информации;
   • осуществление ведомственного контроля за состоянием и применением на предприятиях отрасли образцовых, рабочих и нестандартизованных средств измерений;
   • проведение обязательных государственной или ведомственной поверок средств измерений, их ремонта;
   • обеспечение постоянной готовности к проведению измерений;
   • развитие метрологической службы отрасли и др.

Глава 1. Основные сведения о метрологии...

   Физическая величина — одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.
   Единица измерения должна быть установлена для каждой из физических величин, при этом необходимо учитывать, что многие физические величины связаны между собой определенными зависимостями. Поэтому лишь часть физических величин и их единиц может определяться независимо от других. Такие величины называют основными. Производная физическая величина — физическая величина, входящая в систему физических величин и определяемая через основные физические величины этой системы.
   Совокупность физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимают за независимые, а другие определяют как функции независимых величин, называется системой единиц физических величин. Единица основной физической величины является основной единицей системы. Международная система единиц (система СИ; SI — от франц. Systeme International — The International System of Units) была принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 г.
   В основу системы СИ положены семь основных и две дополнительные физические единицы. Основные единицы: метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела (табл. 1.1).
   Метр — длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299 792 458 секунды.
   Килограмм — единица массы, определяемая как масса международного прототипа килограмма, представляющего собой цилиндр из сплава платины и иридия.
   Секунда равна 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего энергетическому переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133.
   Ампер — сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывал бы силу взаимодействия, равную 2 • 10 ⁷ Н (ньютон) на каждом участке проводника длиной 1 м.