СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

Измерение – сложный процесс, включающий в себя взаимодействие целого ряда его структурных элементов. К ним относятся: измерительная задача, объект измерения, принцип, метод и средство измерения и его модель, условия измерения, субъект измерения, результат и погрешность измерения.

Основные этапы измерений:

· постановка измерительной задачи (накопление информации об объекте измерения, формирование модели объекта и т.д.);

· планирование измерения (выбор методов, средств измерений, оценка погрешности измерения и т.д.);

· измерительный эксперимент;

· обработка экспериментальных данных.

 Задача (цель) любого измерения заключается в определении значения выбранной (измеряемой) ФВ с требуемой точностью в заданных условиях. Постановку задачи измерения осуществляет субъект измерения – человек.

Объект измерения – это реальный физический объект, свойства которого характеризуются одной или несколькими измеряемыми ФВ.

Субъект измерения – человек принципиально не в состоянии представить себе объект целиком, во всем многообразии его свойств и связей. Вследствие этого взаимодействие субъекта с объектом возможно только на основе математической модели объекта. Математическая модель объекта измерения – это совокупность математических символов (образов) и отношений между ними, которая адекватно описывает интересующие субъекта свойства объекта измерения.

Основной проблемой моделирования объектов измерений является выбор таких моделей, которые можно считать адекватно описывающими измеряемые величины (свойства) данного объекта. При этом зачастую приходится решать две взаимоисключающие задачи: модель должна адекватно отражать все свойства объекта, необходимые для решения измерительной задачи, и в то же время быть по возможности простой и содержать минимум параметров.

По способу нахождения искомого значения измеряемой величины различают прямые (непосредственно по показаниям СИ), косвенные (рассчитывают по формуле, а значения величин, входящих в формулу, получают измерениями), совместные (одновременные измерения двух или нескольких разнородных величин для установления зависимости между ними) и совокупные (производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин) измерения.

Измерительная информация, т.е. информация о значениях измеряемой ФВ, содержится в измерительном сигнале. Измерительный сигнал – это сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой ФВ. Он поступает на вход СИ, при помощи которого преобразуется в выходной сигнал, имеющий форму, удобную либо для непосредственного восприятия человеком (субъектом измерения), либо для последующей обработки и передачи. Субъект измерения осуществляет выбор принципа, метода и средства измерений.

Принцип измерений – совокупность физических принципов, на которых основаны измерения.

Метод измерения – это прием или совокупность приемов сравнения измеряемой ФВ с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерения. Метод измерения должен по возможности иметь минимальную погрешность и способствовать исключению систематических погрешностей или переводу их в разряд случайных (см. п. 3.1, 3.2).

Методы измерения можно классифицировать по различным признакам, среди которых:

- физический принцип, положенный в основу измерения. По нему все методы измерений делятся на электрические, магнитные, акустические, оптические, механические и т.д.;

- режим взаимодействия средства и объекта измерений. В этом случае все методы измерений подразделяются на статические и динамические;

- вид измерительных сигналов, применяемый в средстве измерения. В соответствии с ним методы делятся на аналоговые и цифровые.

Как известно, искомое значение ФВ находится посредством сопоставления ее с мерой, материализующей единицу этой величины. В зависимости от способа применения меры различают метод непосредственной оценки и методы сравнения (рис. 2) [2].

Рис. 2. Классификация методов измерения

При измерении методом непосредственной оценки искомое значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству средства измерения, которое проградуировано в соответствующих единицах (например, измерение напряжения электромеханическим вольтметром магнито-электрической системы).

В методах сравнения измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой (например, сравнение массы на рычажных весах). Отличительной чертой методов сравнения является непосредственное участие меры в процедуре измерения, в то время как в методе непосредственной оценки мера в явном виде при измерении не присутствует, а ее размеры перенесены на отсчетное устройство (шкалу) средства измерения заранее, при его градуировке. Обязательным в методе сравнения является наличие сравнивающего устройства. Сравнение можно проводить различными способами, поэтому метод сравнения распадается на ряд разновидностей.

0                 mx                      m0   Рис. 3. Измерение массы  нулевым методом

Рис. 4. Измерение сопротивления нулевым методом

Нулевой метод (или метод полного уравновешивания) – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и встречного воздействия меры на сравнивающее устройство сводят к нулю. Это контролируется специальным измерительным прибором высокой точности – нуль-индикатором. В данном случае значение измеряемой величины равно значению, которое воспроизводит мера. Примеры нулевого метода: 1) измерение массы на равноплечих весах, когда воздействие на весы массы m_x полностью уравновешивается массой гирь m₀ (рис. 3); 2) измерение активного сопротивления мостом постоянного тока с полным его уравновешиванием (рис. 4). Измерение при помощи моста можно рассматривать как сравнение неизвестного сопротивления R_x с образцовым сопротивлением R₁ при сохранении неизменным отношения R₂/R₃ (из условия равновесия моста R₁R₂=R_xR₃ (см. п. 4.5) следует, что R_x=R₁× R₂/R₃).

При дифференциальном методе о значении величины Х судят по измеряемой прибором разности DХ=Х – Х_м и по известной величине Х_м, воспроизводимой мерой. Следовательно, Х=Х_м+DХ. При дифференциальном методе полное уравновешивание не производят. Примером дифференциального метода может служить измерение вольтметром разности двух напряжений, из которых одно известно с большой точностью, а другое представляет собой искомую величину.

Метод замещения заключается в поочередном измерении прибором искомой величины и выходного сигнала меры, однородного с измеряемой величиной. Так как погрешность прибора неодинакова в различных точках шкалы, наибольшая точность измерения получается при одинаковых показаниях прибора. Пример метода замещения – измерение большого электрического активного сопротивления путем поочередного измерения силы тока, протекающего через контролируемый и образцовый резисторы. Другой пример – взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов.

При методе совпадений разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, определяют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов (широко используется в практике неэлектрических измерений). Примером использования данного метода в электрических измерениях является измерение частоты вращения тела посредством стробоскопа. Метод совпадений, использующий совпадения основной и нониусной отметок шкал, реализуется в штангенприборах, применяемых для измерения линейных размеров.

Метод измерений реализуется в средстве измерений – техническом средстве, используемом при измерениях и имеющем нормированные метрологические характеристики, т.е. характеристики, влияющие на результаты и на точность измерений.

Средство измерения обладает одним из двух признаков:

- вырабатывает сигнал (показание), несущий информацию о размере (значении) измеряемой величины;

- воспроизводит величину заданного (известного) размера (например, гиря – заданную массу, магазин сопротивлений – ряд дискретных значений сопротивления).

Средства измерений (СИ) могут быть элементарными (меры, устройства сравнения и измерительные преобразователи) и комплексными (регистрирующие и показывающие измерительные приборы, измерительные системы, измерительно-вычислительные комплексы). Классификация средств измерений по их роли в процессе измерения и выполняемым функциям является основной и представлена на рис. 5 [3].

Мера – это средство измерений, предназначенное для воспроизведения одного или нескольких фиксированных значений физической величины (например, мера массы – гиря, мера индуктивности – образцовая катушка индуктивности и т.д.).

Измерительный преобразователь – это средство измерений, предназначенное для преобразования сигналов измерительной информации в форму, целесообразную для передачи, обработки или хранения. Измерительная информация на выходе измерительного преобразователя, как правило, недоступна для непосредственного восприятия наблюдателем. К измерительным преобразователям относятся термопары, измерительные трансформаторы тока и напряжения, измерительные усилители, преобразователи давления и т.д.

Измерительные преобразователи (ИП) классифицируются по ряду признаков.

По местоположению в измерительной цепи преобразователи делятся на первичные и промежуточные. Первичный преобразователь – это такой ИП, на который непосредственно воздействует измеряемая ФВ, т.е. он является первым в измерительной цепи средством измерений. Промежуточные преобразователи располагаются в измерительной цепи после первичного [5].

Кроме термина «первичный измерительный преобразователь» используется близкий к нему термин – «датчик». Электрический датчик – это один или несколько измерительных преобразователей, служащих для преобразования измеряемой неэлектрической величины в электрическую и объединенных в единую конструкцию.

Рис. 5. Классификация средств измерений по их роли

в процессе измерения и выполняемым функциям

По характеру преобразования входной величины ИП делятся на линейные (имеющие линейную связь между входной и выходной величинами) и нелинейные (имеющие нелинейную связь).

По виду входных и выходных величин различают следующие ИП:

· аналоговые, преобразующие одну аналоговую величину в другую аналоговую величину;

· аналого-цифровые (АЦП), предназначенные для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код;

· цифро-аналоговые (ЦАП), предназначенные для преобразования цифрового кода в аналоговую величину.

Устройство сравнения (компаратор) – это средство измерений, дающее возможность выполнять сравнение мер однородных величин или же показаний измерительных приборов. Примером могут служить рычажные весы, на одну чашку которых устанавливается образцовая гиря, а на другую – проверяемая. Во многих относительно простых СИ роль компаратора выполняют органы чувств человека, главным образом зрение, например при сравнении отклонения указателя прибора и числа делений, нанесенных на его шкале. Особенно широкое распространение компараторы получили в современной электронной технике, где они используются для сравнения напряжений и токов.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. В зависимости от формы представления информации различают аналоговые и цифровые приборы. Аналоговым называют измерительный прибор, показания которого являются непрерывной функцией измеряемой величины. Например, ртутно-стеклянный термометр, стрелочный вольтметр (в аналоговых вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется в угол поворота стрелки с помощью первичного электромеханического ИП). В цифровом приборе осуществляется преобразование аналогового сигнала измерительной информации в цифровой код, и результат измерения отражается на цифровом табло.

Обобщенная структурная схема измерительного прибора приведена на рис.6.

                            Устройство преобразования       

Измеряемая                                                                                                             Показания

     ФВ              Первичный               Совокупность       Отсчетное      прибора

                    измерительный             элементарных       устройство          

                    преобразователь              СИ

Рис. 6. Обобщенная структурная схема измерительного прибора

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенная для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем и расположенная в одном месте.

Измерительная система – совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в системах управления, контроля, диагностирования и т.п.