ВВЕДЕНИЕ

В эпоху научно-технической революции темпы развития науки, техники и всех отраслей народного хозяйства в значительной степени определяются научным и техническим уровнем измерений. В свою очередь уровень развития измерительной техники является одним из важнейших показателей прогресса науки и техники. Это особенно справедливо для электрорадиоизмерений, поскольку исследования в области физики, радиотехники, электроники, космонавтики, медицины, биологии и других отраслей человеческой деятельности базируются на измерениях электромагнитных величин. Отсюда следует, что развитие электрорадиоизмерительной техники должно опережать развитие других отраслей науки и техники.

Основными направлениями качественной стороны этого развития являются: повышение точности измерений; автоматизация процессов измерений; повышение быстродействия и надежности измерительных приборов; уменьшение потребляемой мощности питания и габаритов всех средств измерительной техники.

Электрорадиоизмерения, как и другие измерения, основаны на метрологии.

Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. В метрологии имеется законодательный раздел, разрабатывающий общие правила, требования и нормы, нуждающиеся в регламентации и контроле государством, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений. Метрологические понятия, термины и определения стандартизованы, и их применение обязательно в литературе и практической деятельности в области измерений. Рассмотрим некоторые понятия, необходимые для изучения данного курса.

Измерение — нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Физическая величина — свойство, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении — индивидуальное для каждого объекта. Например: электрическое напряжение — это свойство, в качественном отношении общее для всех источников электрической энергии — от атомной электростанции до батарейки карманного фонаря; естественно, что в количественном отношении напряжения источников различны.

Значение физической величины — оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Например: значение напряжения (не «величина напряжения»!) 220 В; число 220 называется числовым значением; В — вольт — единица напряжения.

Истинное значение физической величины — значение физической величины, которое идеальным образом отражает в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство данного объекта. Истинное значение практически недостижимо.

Действительное значение физической величины — значение, полученное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.

Средство измерений — техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства.

Прямое измерение — измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из основных данных. Например: измерение напряжения при помощи вольтметра, тока при помощи амперметра и др.

Косвенное измерение — измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Например: измерение электрической мощности постоянного тока при помощи вольтметра и амперметра

Совместные измерения — производимые одновременно измерения двух или нескольких неоднородных величин с целью нахождения зависимости между ними. Например: определение зависимости сопротивления проводника от температуры по уравнению где сопротивление при

постоянные коэффициенты, которые нужно определить. Попарно измеряя значения сопротивления проводника и температуры и 4), получим систему уравнений

Решив эту систему уравнений, найдем значения

Единица физической величины — физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение 1. Единицы делятся на основные, выбираемые произвольно при построении системы единиц, и производные, образуемые в соответствии с уравнениями связи другими единицами данной системы единиц.

Система единиц физических величин — совокупность основных и производных единиц, относящаяся к некоторой системе величин. В СССР и странах — членах СЭВ с 1 января 1980 г. введен в действие стандарт Совета Экономической Взаимопомощи «Метрология. Единицы физических величин», которым установлено обязательное применение Международной системы единиц SI, или СИ, принятой в 1960 г. XI Генеральной конференцией по мерам и весам. Международная система единиц построена на семи основных и двух дополнительных единицах (см. табл. П1). В таблице приведены множители и приставки для образования кратных и дольных единиц.

В радиотехнической практике широко используется внесистемная безразмерная единица децибел основанная на десятичном логарифме отношения двух величин одинаковой размерности. По определению, при где -сравниваемые энергетические величины, например мощности; при где сравниваемые «силовые» величины, например напряжения, токи, давления и т. д. Для перевода отношений мощностей и напряжений (токов) в децибелы и обратно применяются специальные таблицы (см. табл. П3).

Принцип измерения — совокупность физических явлений, на которых основано данное измерение.

Метод измерения — совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Простейшим является метод непосредственной оценки, в котором значение измеряемой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора.

Наиболее точным является метод сравнения измеряемой величины с однородной независимой известной величиной. По способу осуществления метод сравнения может быть нулевым, дифференциальным, методом замещения, методом совпадения. При нулевом методе результирующий эффект воздействия обеих величин на измерительный прибор доводят до нуля. Нулевой метод часто называют методом компенсации? При дифференциальном методе на измерительный прибор воздействует разность измеряемой и известной величин. При методе замещения измеряемую величину замещают (заменяют) однородной с ней величиной известного размера, который равен размеру замещенной величины, что определяется по сохранению режима в измеряемой цепи. При методе совпадения равенство значений измеряемой и известной величин фиксируется по совпадению отметок шкалы, сигналов и другим признакам.

Погрешность измерения — отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

Точность измерения — качество измерения, отражающее близость его результатов к истинному значению измеряемой величины. Высокая точность измерений соответствует малым погрешностям.

Погрешность измерительного прибора — разность между показанием прибора и истинным значением измеряемой величины.

Результат измерения — значение величины, найденное путем ее измерения. Измерение может быть однократным, и тогда показание прибора является результатом измерения, и многократным — тогда результат измерения находят путем статистической обработки результатов каждого наблюдения. По точности результатов измерения подразделяют на три вида: точные (прецизионные) измерения, результат которых должен иметь максимальную возможную при существующем уровне науки и техники точность (минимальную погрешность); контрольно-поверочные погрешность которых не должна превышать некоторого заданного значения; технические, результат которых содержит погрешность, определяемую погрешностью измерительного прибора. Как правило, точные и контрольно-поверочные измерения требуют многократных наблюдений; технические — одно- или двукратных наблюдений.

К техническим измерениям относятся лабораторные измерения, выполняемые при разработке и исследовании

новых процессов, систем и устройств, производственные и приемо-сдаточные, проводимые на заводах, в процессе строительства и монтажа различных объектов, и, наиболее многочисленные, эксплуатационные — профилактические, контрольно-испытательные, оперативные, аварийные.

Примером контрольно-поверочных измерений является поверка всего парка измерительных приборов страны в соответствии с общегосударственными и ведомственными положениями о порядке и сроках поверки с целью обеспечения единства измерений и единообразия средств измерений. Контроль и обеспечение поверки возложены на Метрологическую службу Госстандарта СССР.

Абсолютное измерение — измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин, в результате которого значение измеряемой величины определяется непосредственно в установленных для нее единицах.

Относительное измерение — измерение отношения данной величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или изменения одной величины по отношению к другой, принятой за исходную. Результат относительных измерений часто выражается в децибелах.

Кроме того, измерения делятся на статические и динамические. При статических измерениях выходной сигнал измерительной информации постоянный, при динамических — изменяющийся. Примером динамических измерений может служить регистрация изменяющейся величины при помощи самопишущего прибора.

Измерения подразделяются на электротехнические, механические, оптические, геодезические, акустические и др. Однако наибольшее распространение получили электротехнические (в широком смысле) измерения. Это объясняется их достоинствами, к которым относятся: возможность дистанционных, централизованных, одновременных и разновременных измерений большого числа различных по своей природе величин (предварительно преобразованных в электрические величины), малая инерционность средств измерений, возможность измерений в широком диапазоне частот, удобство использования результатов измерения в виде электрического кода для целей автоматического управления или регулирования, возможность проведения математических операций над результатами измерений.

Изучаемые в нашем курсе электрорадиоизмерения имеют следующие особенности: многочисленность измеряемых величин, большие пределы измеряемых значений, широкий

диапазон частот, разнообразные условия измерений. Приходится измерять разные по форме изменяющиеся во времени токи, напряжения, мощности, электрические величины в цепях с сосредоточенными и распределенными параметрами, характеристики большого числа разнообразных по устройству, принципу действия и назначению устройств, их узлов и элементов. Частотный диапазон, в котором выполняются измерения, необычайно широк — от нуля до десятков гигагерц. Пределы измеряемых мощностей исчисляются от долей пиковатт до сотен мегаватт, сопротивлений — от микроом до тысяч мегаом. Условия измерений изменяются от «комнатных» до «космических».

Все эти особенности предопределяют значительное число используемых для измерений принципов, методов и еще большее число необходимых средств измерений с требуемыми свойствами. В результате изучения курса «Электрорадио-измерения» нужно усвоить основные принципы и методы измерений электрических и радиотехнических величин и уметь выбрать наиболее подходящий для данных условий метод и средство измерения, выполнить измерение и оценить погрешность результата измерения.

Метрологическая служба. Основное требование к измерениям заключается в достоверности, надежности, единстве и сопоставимости результатов. Другими словами, где бы, когда бы, чем бы и кем бы ни выполнялись измерения одной и той же величины, результат должен быть одинаков (в пределах допустимой погрешности). Обеспечение выполнения этого требования возложено на Метрологическую службу, возглавляемую Госстандартом СССР.

Одной из главных задач метрологической службы является овеществление единиц физических величин, их хранение и воспроизведение с помощью образцовых средств измерения, а также поверка всех рабочих средств измерения. Измерение является правомерным лишь в том случае, если оно выполнено при помощи приборов, поверенных в установленные сроки в соответствующих метрологических организациях (пунктах) по образцовым приборам.

В обязанности метрологической службы входит также государственный контроль над внедрением и соблюдением стандартов, состоянием измерительной техники на предприятиях, над работой их метрологических подразделений. Методическое руководство и контроль осуществляется через разветвленную сеть учреждений госнадзора.

История отечественной метрологической службы начинается с организации Д. И. Менделеевым в 1893 г.

Главной палаты мер и весов (ныне НПО «Всесоюзный научно-исследовательский институт метрологии им. Д. И. Менделеева»). В настоящее время в распоряжении метрологической службы СССР имеются десятки научно-исследовательских институтов и контрольно-испытательных организаций, выполняющих иаучно-теоретическне и прикладные работы в области измерений.