 |
Измерительные информационные 2 глава
|
|
|
|
Производные единицы. Кроме основных физических единиц, в систему СИ входят производные единицы, которые определя- ются с использованием физических законов и зависимостей через основные физические величины или через основные и уже опре- деленные производные. К ним относятся единицы пространства и времени, механических, электрических и магнитных величин, тепловых, световых и акустических величин, величин ионизиру- ющих излучений.
1.3. Классификация и методы измерений
Электрические измерения очень разнообразны, и это связано с множеством измеряемых физических величин, различным харак-
тером их проявления во времени, различными требованиями к точности измерений, различными способами получения резуль- тата и т.д.
Измерение, согласно определению, предполагает сравнение исследуемой физической величины с однородной физической величиной, значение которой принято за единицу, и представле- ние результата этого сравнения в виде числа. Это многоопераци- онная процедура, и для ее выполнения необходимо осуществле- ние следующих измерительных операций: воспроизведения, сравнения, измерительного преобразования, масштабирования.
Воспроизведение величины заданного размера – операция со- здания выходного сигнала с заданным размером информативного параметра, т.е. величиной напряжения, тока, сопротивления, ин- дуктивности и др. Эта операция реализуется средством измере- ний – мерой.
Сравнение – определение соотношения между однородными величинами, осуществляемое путем их вычитания. Эта операция реализуется устройством сравнения (компаратором).
Измерительное преобразование – операция преобразования входного сигнала в выходной, реализуемая измерительным пре- образователем. Выходные сигналы измерительных преобразова- телей и их информативные параметры унифицированы государ- ственной системой приборов и средств автоматизации (ГСП). Унифицированными сигналами являются постоянное напряжение 0... 10 В и постоянный ток 0...5, 0...20, 4...20 мА.
|
|
|
Масштабирование – создание выходного сигнала, однород- ного с входным, размер информативного параметра которого пропорционален в К раз размеру информативного параметра входного сигнала. Масштабное преобразование реализуется в устройстве, которое называется масштабным преобразователем.
Классификация измерений. Измерения можно классифици- ровать по различным признакам:
· по числу измерений – однократные, когда измерения выпол- няют один раз, и многократные – ряд однократных измерений физической величины одного и того же размера;
· характеристике точности – равноточные – ряд измерений ка- кой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью, и неравноточные, когда ряд измерений какой- либо величины выполняется различающимися по точности сред- ствами измерений и в разных условиях;
· характеру изменения во времени измеряемой величины – статические, когда значение физической величины считается неизменным на протяжении времени измерения, и динамические
– измерение изменяющейся по размеру физической величины;
· способу представления результатов измерений: абсолютные
– измерения величины в ее единицах, и относительные – измере- ния изменений величины по отношению к одноименной вели- чине, принимаемой за исходную. Относительные измерения при прочих равных условиях могут быть выполнены более точно, чем абсолютные, так как в суммарную погрешность не входит по- грешность меры величины;
· способу получения результата измерения – прямые и косвен- ные.
|
|
|
Прямые измерения – измерения, при которых искомое значе- ние физической величины получают непосредственно из опыт- ных данных. К прямым измерениям относится нахождение зна- чения напряжения, тока, мощности по шкале прибора и т.д.
Косвенные измерения – определение искомого значения фи- зической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с иско-
мой величиной. При этом числовое значение искомой величины находится расчетным путем, например значение мощности в нагрузке определяется по показаниям амперметра и вольтметра (Р = UI). Хотя косвенные измерения сложнее прямых, они широ- ко применяются в практике измерений, особенно там, где прямые измерения практически невыполнимы, либо тогда, когда косвен- ное измерение позволяет получить более точный результат по сравнению с прямым измерением. Косвенные измерения в свою очередь делят на совокупные и совместные.
Совокупные измерения – проводимые одновременно измере- ния нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравне- ний, получаемых при измерениях этих величин в различных со- четаниях. Например, нахождение сопротивлений двух резисторов по результатам измерения сопротивления при последовательном и параллельном их включении; определение массы отдельных гирь набора по известному значению массы одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний этих гирь.
Совместные измерения – проводимые одновременно измере- ния двух или нескольких неодноименных величин для определе- ния зависимости между ними. Числовые значения искомых вели- чин, как и в случае совокупных измерений, находят из системы уравнений, связывающих значения искомых величин со значени- ями величин, измеренных прямым (или косвенным) способом. Число уравнений должно быть не меньше числа искомых вели- чин. Например, по результатам прямых измерений значений со- противления терморезистора при двух различных температурах решением системы уравнений рассчитывают необходимые зна- чения коэффициентов.
Методы измерения. Методы измерения можно классифици- ровать по различным признакам:
|
|
|
· по физическому принципу, положенному в основу измерения
– электрические, механические, магнитные, оптические и т.д.;
· степени взаимодействия средства и объекта измерения – кон- тактный и бесконтактный. Например, измерение температуры тела термометром сопротивления (контактный) и объекта пиро- метром (бесконтактный).
· режиму взаимодействия средства и объекта измерения – ста- тические и динамические;
· виду измерительных сигналов – аналоговые и цифровые;
· организации сравнения измеряемой величины с мерой – ме- тоды непосредственной оценки и сравнения.
Метод непосредственной оценки (отсчета) – метод изме- рений, при котором значение величины определяют непосред- ственно по показывающему средству измерений. Он отличается своей простотой, но невысокой точностью.
Метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором из- меряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Эти методы сложны, но характеризуются высокой точно- стью. Их подразделяют на дифференциальные, нулевые, проти- вопоставления, замещения и совпадений.
Дифференциальный (разностный) метод – метод измере- ний, при котором измеряемая величина сравнивается с однород- ной величиной, незначительно отличающейся от измеряемой ве- личины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами. Точность метода возрастает с уменьшением разно- сти между сравниваемыми величинами.
Нулевой метод – метод сравнения с мерой, в котором резуль- тирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля. Например, измерение элек-
трического сопротивления мостом с полным его уравновешива- нием.
Метод измерения замещением – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины. Метод используют, например, при измере- нии индуктивности, емкости.
Метод совпадений – метод, при котором измеряют разность между искомой величиной и образцовой мерой, используя совпа- дения отметок или периодических сигналов. Метод применяют, например, для измерения перемещений, периода, частоты.
|
|
|
1.4. Классификация средств измерений
Средство измерений (СИ) – техническое средство, предна- значенное для измерений, имеющее нормированные метрологи- ческие характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее еди- ницу физической величины, размер которой принимают неиз- менным (в пределах установленной погрешности) в течение из- вестного интервала времени.
Данное определение раскрывает суть средства измерений, за- ключающуюся, во-первых, в «умении» хранить (или воспроизво- дить) единицу физической величины; во-вторых, в неизменности размера хранимой единицы. Эти важнейшие факторы и обуслов- ливают возможность выполнения измерения (сопоставление с единицей), т.е. «делают» техническое средство средством изме- рений. Если размер единицы в процессе измерений изменяется более, чем установлено нормами, таким средством нельзя полу- чить результат с требуемой точностью. Это означает, что изме- рять можно лишь тогда, когда техническое средство, предназна- ченное для этой цели, может хранить единицу, достаточно неиз- менную по размеру (во времени).
Средства измерений классифицируют в зависимости от назна- чения и метрологических функций.
По назначению СИ подразделяются на меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные уста- новки и измерительные системы.
Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизве- дения и (или) хранения физической величины одного или не- скольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.
Различают меры:
однозначные – воспроизводящие физическую величину одного размера (например, ЭДС нормального элемента равна 1,0185 В);
многозначные – воспроизводящие физическую величину раз- ных размеров (например, штриховая мера длины);
набор мер – комплект мер разного размера одной и той же фи- зической величины, предназначенных для практического приме- нения как в отдельности, так и в различных сочетаниях (напри- мер, набор концевых мер длины);
магазин мер – набор мер, конструктивно объединенных в еди- ное устройство, в котором имеются приспособления для их со- единения в различных комбинациях (например, магазин электри- ческих сопротивлений).
Измерительный преобразователь – техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину, или измерительный сигнал, удобный для обработки. Это преоб- разование должно выполняться с заданной точностью и обеспе- чивать требуемую функциональную зависимость между выход- ной и входной величинами преобразователя. Измерительный преобразователь или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы и
|
|
|
др.), или применяется вместе с каким-либо средством измерений. Измерительные преобразователи могут быть классифицированы по различным признакам, например:
· по характеру преобразования различают следующие виды измерительных преобразователей: электрических величин в элек- трические (шунты, делители напряжения, измерительные транс- форматоры и пр.); магнитных величин в электрические (измери- тельные катушки, феррозонды, преобразователи, основанные на эффектах Холла, Гаусса, сверхпроводимости и т.д.); неэлектриче- ских величин в электрические (термо- и тензопреобразователи, реостатные, индуктивные, емкостные и т.д.);
· месту в измерительной цепи и функциям различают пер- вичные, промежуточные, масштабные и передающие преобра- зователи.
Измерительный прибор – средство измерений, предназна- ченное для получения значений измеряемой физической величи- ны в установленном диапазоне.
Измерительные приборы подразделяются:
· по форме регистрации измеряемой величины – на аналого- вые и цифровые;
· применению – амперметры, вольтметры, частотомеры, фазо- метры, осциллографы и т.д.;
· назначению – приборы для измерения электрических и не- электрических (магнитных, тепловых, химических и др.) фи- зических величин;
· действию – интегрирующие и суммирующие; способу инди- кации значений измеряемой величины – показывающие, сигнали- зирующие и регистрирующие;
· методу преобразования измеряемой величины – непосред- ственной оценки (прямого преобразования) и сравнения;
· способу применения и по конструкции – щитовые, перенос- ные, стационарные;
· защищенности от воздействия внешних условий – обыкно- венные, влаго-, газо-, пылезащищенные, герметичные, взрыво- безопасные и др.
Измерительные установки (ИУ) – совокупность функцио- нально объединенных мер, измерительных приборов, измери- тельных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и рас- положенная в одном месте. Измерительную установку, применя- емую для поверки, называют поверочной установкой, а входя- щую в состав эталона – эталонной установкой. Некоторые боль- шие измерительные установки называют измерительными маши- нами, например, установки для измерений удельного сопротив- ления электротехнических материалов; для испытаний магнит- ных материалов.
Измерительная система (ИС) – совокупность функциональ- но объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, разме- щенных в разных точках контролируемого объекта с целью изме- рений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях. В зависимости от назначения измерительные системы подразделяют на информационные, контролирующие, управля- ющие и др. Например, радионавигационная система для опреде- ления местоположения различных объектов, состоящая из ряда измерительно-вычислительных комплексов, разнесенных в про- странстве на значительное расстояние друг от друга.
Измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) – функ- ционально объединенная совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомогательных устройств, предназначенная для вы-
полнения в составе измерительной системы конкретной измери- тельной задачи.
По метрологическим функциям СИ подразделяются на этало- ны и рабочие средства измерений.
Эталон единицы физической величины – средство измере- ний (или комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи ее разме- ра нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке. Кон- струкция эталона, его свойства и способ воспроизведения едини- цы определяются природой данной физической величины и уровнем развития измерительной техники в данной области из- мерений. Эталон должен обладать, по крайней мере, тремя тесно связанными друг с другом существенными признаками – неиз- менностью, воспроизводимостью и сличаемостью.
Неизменность – свойство эталона удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы физической величины дли- тельное время. При этом все изменения, зависящие от внешних условий, должны быть строго определенными функциями вели- чин, доступных точному измерению. Реализация этих требований привела к идее создания «естественных» эталонов, основанных на физических постоянных.
Воспроизводимость – возможность воспроизведения едини- цы физической величины с наименьшей погрешностью для суще- ствующего уровня развития измерительной техники.
Сличаемость – возможность обеспечения сличения с этало- ном других средств измерений, нижестоящих по поверочной схеме, в первую очередь вторичных эталонов, с наивысшей точ- ностью для существующего уровня развития измерительной тех- ники.
По соподчинению эталоны подразделяются на международ- ные эталоны, первичные, вторичные.
Международный эталон – эталон, принятый по международ- ному соглашению в качестве международной основы для согла- сования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами. Международные эталоны хранятся в Международном бюро мер и весов (МБМВ) в г. Севре вблизи Па- рижа и служат для сличения с первичными эталонами крупней- ших метрологических лабораторий разных стран.
Первичные (национальные) эталоны – эталоны, признанные официальным решением служить в качестве исходных для стра- ны. Они хранятся в национальных лабораториях различных стран и предназначены для калибровки в этих лабораториях вторичных эталонов. Данное определение по существу совпадает с опреде- лением понятия «государственный эталон». Это свидетельствует о том, что термины «государственный эталон» и «национальный эталон» отражают одно и то же понятие. Вследствие этого тер- мин «национальный эталон» применяют при проведении сличе- ния эталонов, принадлежащих отдельным государствам, с меж- дународным эталоном или при проведении так называемых «кру- говых» сличений эталонов ряда стран.
Вторичные эталоны – эталоны, получающие размер едини- цы непосредственно от первичного эталона данной единицы. Они хранятся в различных отраслевых испытательных лабораториях и используются для контроля и калибровки рабочих эталонов.
По метрологическому назначению вторичные эталоны под- разделяются на исходный, сравнения и рабочий.
Исходный эталон – эталон, обладающий наивысшими метро- логическими свойствами (в данной лаборатории, организации, на предприятии), от которого передают размер единицы подчинен- ным эталонам и имеющимся средствам измерений. Исходным
эталоном в стране служит первичный эталон, исходным эталоном для республики, региона, министерства (ведомства) или предпри- ятия может быть вторичный, или рабочий, эталон. Вторичный, или рабочий, эталон, являющийся исходным эталоном для мини- стерства (ведомства), нередко называют ведомственным этало- ном. Эталоны, стоящие в поверочной схеме ниже исходного эта- лона, обычно называют подчиненными эталонами.
Эталон сравнения – эталон, применяемый для сличений эта- лонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непо- средственно сличены друг с другом.
Рабочий эталон – эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим средствам измерений. Термин рабочий эталон заменил собой термин образцовое средство измерений (ОСИ) с целью упорядочения терминологии и приближения ее к международной. При необходимости рабочие эталоны подразде- ляют на разряды (1-й, 2-й,..., n-й), как это было принято для ОСИ. В этом случае передачу размера единицы осуществляют через цепочку соподчиненных по разрядам рабочих эталонов. При этом от последнего рабочего эталона в данной цепочке размер едини- цы передают рабочему средству измерений.
Совокупность государственных первичных и вторичных эта- лонов, являющаяся основой обеспечения единства измерений в стране, составляет эталонную базу страны. Число эталонов не является постоянным, а изменяется в зависимости от потребно- стей экономики страны. Ясно, что перечень эталонов не совпада- ет с измеряемыми физическими величинами, хотя прослеживает- ся постепенное увеличение их числа из-за постоянного развития рабочих средств измерений.
Эталонная база России насчитывает более 150 государствен- ных эталонов. Она включает в себя эталоны механических вели- чин – массы, длины и времени; электрических величин – тока,
емкости, напряжения; магнитных величин – индуктивности, маг- нитного потока; тепловых величин – температуры; световых ве- личин – силы света и др.
Рабочее средство измерений – это средство измерений, ис- пользуемое в практике измерений и не связанное с передачей единиц размера физических величин другим средствам измере- ний. Рабочее средство измерений в свою очередь бывает основ- ным и вспомогательным.
Основное средство измерений – средство измерений той фи- зической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей.
Вспомогательное средство измерений – средство измерений той физической величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерений необходимо учитывать для по- лучения результатов измерений требуемой точности (например, термометр для измерения температуры газа в процессе измерений объемного расхода этого газа).
В практике измерений встречаются понятия стандартизован- ного и нестандартизованного средств измерений.
Стандартизованное средство измерений – средство измере- ний, изготовленное и применяемое в соответствии с требования- ми государственного или отраслевого стандарта. Обычно стан- дартизованные средства измерений подвергают испытаниям и вносят в Государственный реестр.
Нестандартизованное средство измерений – средство изме- рений, стандартизация требований к которому признана нецеле- сообразной.
1.5. Метрологические характеристики средств измерений
Все средства измерений имеют общие свойства, позволяющие сопоставлять их между собой: метрологические, эксплуатацион-
ные, информационные и др. Отдельные виды и типы СИ облада- ют своими специфическими свойствами, которые отражаются в соответствующих нормативно-технических документах. Поэтому важно уметь выделять и оценивать составляющую погрешности, вносимую используемыми средствами измерений по их метроло- гическим характеристикам.
Метрологическая характеристика средства измерений – характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат и погрешность его измерений. Для каждого типа СИ устанавливают свои метрологические характеристики. Метроло- гические характеристики, устанавливаемые нормативно- техническими документами, называют нормируемыми метроло- гическими характеристиками, а определяемые экспериментально
– действительными метрологическими характеристиками.
К метрологическим характеристикам относятся функция пре- образования, погрешность средства измерений, чувствитель- ность, цена деления шкалы, порог чувствительности, диапазон измерений, вариация показаний и др. От того, насколько они точ- но будут выдержаны при изготовлении и стабильны при эксплуа- тации, зависит точность результатов, получаемая с помощью СИ.
Функция преобразования (статическая характеристика преобразования) – функциональная зависимость между инфор- мативными параметрами выходного и входного сигналов сред- ства измерений. Функцию преобразования, принимаемую для средства измерения (типа) и устанавливаемую в научно- технической документации на данное средство (тип), называют номинальной функцией преобразования средства (типа). Номи- нальная статическая характеристика преобразования позволяет рассчитать значение входной величины по значению выходной. Она может задаваться аналитически, таблично или графически.
Погрешность СИ – важнейшая метрологическая характери- стика, определяемая как разность между показанием средства измерений и истинным (действительным) значением измеряе- мой величины. Для меры показанием является ее номинальное значение.
Чувствительность СИ – свойство средства измерений, определяемое отношением изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины. Различают абсолютную и относительную чувствительность. Аб- солютную чувствительность определяют по формуле
S = D Y,
D X
(1.1)
относительную чувствительность – по формуле:
= D Y ¸ æ D Х ö
Sотн.
ç ÷,
è Х ø
где Δ Y – изменение сигнала на выходе; Δ Х – изменение измеряе- мой величины, X – измеряемая величина.
При нелинейной статической характеристике преобразования чувствительность зависит от X, при линейной характеристике она постоянна.
У измерительных приборов при постоянной чувствительности шкала равномерная, т.е. расстояние между соседними делениями шкалы одинаковое.
Цена деления шкалы (постоянная прибора) – разность значе- ния величины, соответствующая двум соседним отметкам шкалы СИ. Приборы с равномерной шкалой имеют постоянную цену деления. В приборах с неравномерной шкалой цена деления мо- жет быть разной на разных участках шкалы, и в этом случае нор- мируется минимальная цена деления. Цена деления шкалы равна числу единиц измеряемой величины, приходящихся на одно де-
ление шкалы прибора, и может быть также определена через аб- солютную чувствительность:
C = 1/ S. (1.2)
Порог чувствительности – наименьшее значение изменения физической величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным средством. Порог чувствительности выра- жают в единицах входной величины.
Диапазон измерений – область значений величины, в преде- лах которой нормированы допускаемые пределы погрешности СИ. Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно ниж- ним и верхним пределом измерений. С целью повышения точно- сти измерений диапазон измерений СИ можно разбить на не- сколько поддиапазонов. При переходе с одного поддиапазона на другой некоторые составляющие основной погрешности умень- шаются, что приводит к повышению точности измерений. При нормировании погрешности допускают для каждого поддиапазо- на свои предельные значения погрешности. Область значений шкалы прибора, ограниченную начальными и конечными значе- ниями шкалы, называют диапазоном показаний.
Для средства измерений, выдающих результаты измерений в цифровом коде, указывают цену единицы младшего разряда (единицы младшего разряда цифрового отсчетного устройства), вид выходного кода (двоичный, двоично-десятичный) и число разрядов кода.
Для оценки влияния средства измерений на режим работы объекта исследования указывают входное полное сопротивление Z вх. Это сопротивление влияет на мощность, потребляемую от объекта исследования средством измерения.
Допустимая нагрузка на средство измерений зависит от вы- ходного полного сопротивления Z вых. Чем меньше выходное со-
противление, тем больше допустимая нагрузка на средство изме- рений.
Вариация показаний – наибольшая вариация выходного сиг- нала прибора при неизменных внешних условиях. Она является следствием трения и люфтов в узлах приборов, механического и магнитного гистерезиса элементов и др.
Вариация выходного сигнала – это разность между значениями выходного сигнала, соответствующими одному и тому же дей- ствительному значению входной величины при медленном подхо- де слева и справа к выбранному значению входной величины.
Динамические характеристики, т. е. характеристики инер- ционных свойств (элементов) измерительного устройства, опре- деляющие зависимость выходного сигнала СИ от меняющихся во времени величин: параметров входного сигнала, внешних влия- ющих величин, нагрузки. К ним относят: дифференциальное уравнение, описывающее работу средства измерений; переход- ную и импульсную переходную функции; амплитудные и фазо- вые характеристики; передаточную функцию.
Динамические свойства средства измерений определяют ди- намическую погрешность. Динамическая погрешность средства измерений – погрешность средства измерений, возникающая при измерении изменяющейся (в процессе измерений) физической величины.
Нормируемые метрологические характеристики – совокуп- ность метрологических характеристик данного типа средств из- мерений, устанавливаемая нормативными документами на сред- ства измерений. Нормируемые метрологические характеристики, включаемые в этот комплекс, должны отражать реальные свой- ства СИ, и их номенклатура должна быть достаточной для оценки инструментальной составляющей погрешности измерений в ра- бочих условиях применения СИ с той степенью достоверности,
которая требуется для решения поставленной измерительной за- дачи. Общий перечень нормируемых метрологических характе- ристик СИ, формы их представления и способы нормирования устанавливаются ГОСТом. В него могут входить:
· пределы измерений, пределы шкалы;
· цена деления равномерной шкалы аналогового прибора или многозначной меры, при неравномерной шкале – минимальная цена деления;
· выходной код, число разрядов кода, номинальная цена еди- ницы наименьшего разряда цифровых СИ;
· номинальное значение однозначной меры, номинальная ста- тическая характеристика преобразования измерительного преоб- разователя;
|
|
|
