ИЗМЕРЕНИЙ

Измерения — это один из основных способов познания природы, которые являются предпосылкой и составной частью исследований и открытий, обеспечивающих ускорение научно-технического про­гресса.

Под измерением понимается процесс нахождения значе­ния измеряемой величины опытным путем с помощью специальных технических средств, т. е. определение его оценки в виде некото­рого числа принятых для данной величины единиц. Применяемые при этом технические средства, имеющие нормируемые метрологи­ческие характеристики, называются средствами измере­ний. Совокупность физических явлений, на которых основаны измерения, называется принципом измерений, а со­вокупность приемов использования принципов и средств измере­ний — методом измерений.

Измерения классифицируют по виду и методу. Различают сле­дующие виды измерений: прямые, косвенные и совокупные. При прямых измерениях результат определяют непосредственным сравнением измеряемой величины с единицей измерения. При кос­венных измерениях результат получают на основании прямых измерений нескольких величин, связанных с измеряемой величи-

ной определенной зависимостью. При совокупных измере­ниях результат находят на основании уравнений, полученных из совокупности прямых измерений одной или нескольких однород­ных величин.

Различают два метода измерения: метод непосредственной оценки и метод сравнения. При методе непосредственной оценки измеряемая величина определяется и оценивается це­ликом. Метод сравнения имеет разновидности: дифферен­циальный и компенсационный, методы замещения и совпадения.

При дифференциальном методе измеряемую величину находят после определения разности между измеряемой величиной и величиной, принятой за меру, т. е. а = Q—U. Компенса­ционный метод представляет собой частный случай дифферен­циального при условии а= 0 или Q = U. В этом случае мера или образцовая величина U — переменная. Точность метода зависит от устройств, определяющих, что а = 0.

Метод совпадения заключается в том, что измеряемую величину, представленную в виде равномерно чередующихся сиг­налов, сопоставляют с рядом сигналов, соответствующих известной величине. Метод замещения применяют для точных измере­ний. Его суть заключается в том, что измеряемая величина Q за­мещается величиной U, которая может иметь иную физическую природу.

Погрешности измерения и измерительных приборов. Процесс измерения зависит от многих факторов, и это приводит к тому, что измеряемая величина имеет приближенное числовое значение. К таким факторам можно отнести, например, несовершенство ап­паратуры, недостаточное знание всех сопутствующих факторов .и другие причины. Результатом измерения можно пользоваться, если известна степень достоверности проведенного измерения, ко­личественным выражением которой является погрешность измерения. Погрешности делятся на систематические, слу­чайные и промахи.

Систематические погрешности — это погрешности, природа и характер изменения которых известны заранее. Эти по­грешности определяются недостатками, присущими методам из­мерения и конструкциям приборов. Они зависят от влияния сил трения и зазоров в сочленениях деталей приборов, от неточности изготовления элементов приборов и т. д.

Случайными называют погрешности, возникающие под действием непостоянных факторов, не связанных закономерно с процессом измерения. Величины случайных погрешностей не могут быть определены заранее. Причинами их появления могут быть трение в кинематических парах измерительных устройств, субъективные ошибки отсчета, влияние условий окружающей среды и т. д.

Промахи относят к погрешностям, вызванным неправиль­ной эксплуатацией приборов, неправильным подсоединением при­боров к объекту контроля, неверным отсчетом показаний и т. д.

Они имеют субъективный характер, поэтому легко обнаруживаются при повторных измерениях и могут быть устранены или сведены к минимуму.

Погрешности измерений в первую очередь зависят от погрешно­стей измерительных приборов. Показания изме­рительных приборов или других средств измерений всегда в боль­шей или меньшей степени отличаются от действительного значе­ния измеряемой величины. Различают погрешности абсолютные и относительные.

Абсолютной погрешностью измерительного прибора на­зывают разность между его показанием и истинным значением из­меряемой величины. Так как истинное значение установить нельзя, то в измерительной технике используют так называемое действи­тельное значение, полученное с помощью образцового прибора. Таким образом, абсолютная погрешность а представляет собой разность между показанием измерительного прибора Q и действи­тельным значением измеряемой величины Q_o : а = Q—Q_o.

Относительная погрешность измерительного прибора вданной точке отсчета определяется по формуле b = (a/Q₀) 100 %.

Для оценки точности измерения на практике используется ве­личина относительной приведенной погреш­ности б, выражаемая в процентах и представляющая собой от­ношение абсолютной погрешности к диапазону шкалы прибора

Q koh — Qнач: = [а/( Q koh — Qнач) ] 100 %.

Погрешности измерения подразделяются также на основные и дополнительные. Основной называют погрешность, возни­кающую в нормальных условиях, т. е. когда влияние внешних неблагоприятных факторов на процесс измерения минимально или равно нулю. Нормальные условия работы обычно указывают впас­порте для каждого вида приборов. Наибольшая основная погреш­ность, допускаемая техническими условиями на данный прибор, называется допустимой погрешностью. Допол­нительная погрешность возникает в результате влияния на процесс измерения различных внешних факторов, таких, как тем­пература и давление окружающей среды, напряжение источников питания и т. д.

Обобщенной метрологической характеристикой средств изме­рения является класс точности, определяемый, как пра­вило, граничными значениями допускаемых основной и дополни­тельной погрешностей. Существуют два вида класса точности, оп­ределяемых по абсолютным погрешностям (порядковые номера классов) и по относительным или приведенным относительным по­грешностям. Во втором случае класс точности совпадает с преде­лом допускаемой погрешности, соответствующим конечному зна­чению рабочей части шкалы прибора. Нормальный ряд значений классов точности равен числам: 1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5; 6, умноженным на 10ⁿ, где п = 1; 0; — 1;— 2 и т. д.

Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП).Эта система, введенная в СССР, весьма эф-

фективна с точки зрения взаимозаменяемости, унификации и агре­гатирования. Она включает следующие средства (приборы и уст­ройства): получения информации, дистанционной передачи инфор­мации, обработки информации и выработки команд воздействия на управляемый процесс и т. д.

ГСП создает предпосылки совместного использования различ­ных приборов и устройств для компонования разнообразных и лю­бой сложности систем автоматического контроля и управления параметрами технологического процесса. В ней предусмотрены широкая стандартизация и унификация средств измерений на ос­нове агрегатно-блочно-модульного принципа их построения из унифицированных элементов, модулей, блоков и узлов.

Устройства ГСП, предназначенные для решения определенных измерительных задач, объединяют в агрегатные комплексы. Про­мышленность СССР разрабатывает и развивает 20 агрегатных ком­плексов, среди которых: агрегатные комплексы средств электро­измерительной техники (АСЭТ), вычислительной техники (АСВТ), контроля и регулирования (АСКР), хронометрической техники (АСХТ), испытаний на прочность (АСИП) и др. Устройства, вхо­дящие в агрегатный комплекс, должны легко сопрягаться друг с другом без каких-либо дополнительных устройств, не оказывать взаимного влияния, иметь одинаковые условия эксплуатации. Для этого они должны обладать так называемой совмести­мостью. Различают шесть видов совместимости изделий аг­регатных комплексов: энергетическую, функциональную, метро­логическую, конструктивную, эксплуатационную и информацион­ную. Рассмотрим каждый вид совместимости.

Энергетическая совместимость предполагает исполь­зование одного вида энергии носителя сигналов в измерительных устройствах. С этой целью в ГСП предусмотрено три вида энер­гии — электрическая, пневматическая и гидравлическая.

Функциональная совместимость требует, чтобы сред­ства ГСП были четко определены, разграничены и взаимоувязаны для обеспечения их совместной работы в системах контроля и уп­равления.

Метрологическая совместимость обеспечивает сопо­ставимость метрологических характеристик агрегатных средств, их сохранность во времени и под действием влияющих величин, атакже возможность расчетного определения метрологических ха­рактеристик измерительного тракта системы по метрологическим характеристикам отдельных функциональных узлов, образующих этот тракт. Метрологические характеристики агрегатных средств нормируются по единому методу, а параметры входных и выходных цепей согласуются во избежание заметных дополнительных погреш­ностей при сопряжении агрегатных средств.

Конструктивная совместимость обеспечивает согла­сованность конструктивных параметров, механическое сопряжение средств, согласованность эстетических требований. Достигается это нормированием форм элементов конструкций, установочных и при-

соединительных размеров; применением единой прогрессивной тех­нологии изготовления и сборки конструкции, соблюдением единого стиля оформления.

Эксплуатационная совместимость достигается согла­сованностью характеристик, определяющих действие внешних влияющих величин на агрегатные средства в рабочих условиях, а также характеристик надежности и стабильности функциониро­вания. С этой целью все средства делят на группы по использова­нию в зависимости от условий окружающей среды, климатических и механических воздействий и т. д. Эксплуатационная совмести­мость создает возможность компоновки системы с заданными зна­чениями параметров надежности и рабочими условиями эксплуа­тации.

Информационная совместимость средств обеспечивает согласованность входных и выходных сигналов по виду, диапазону изменения, порядку обмена сигналами. Такая совместимость опре­деляется унификацией измерительных сигналов и применением стандартных интерфейсов. Унификация измерительных сигналов означает, что их параметры не могут выбираться произвольно, а должны отвечать требованиям стандарта на эти сигналы. Так, для измерительных преобразователей с токовым выходом стандар­том ГСП нормированы диапазоны изменения выходного тока 0—5 или 0—20 мА, а для преобразователей с выходным напряжением постоянного тока установлен диапазон изменения 0—10 В и т. д. Электрические, логические и конструктивные условия, опреде­ляющие требования к соединяемым функциональным узлам и свя­зям между ними, образуют понятие интерфейса. Электрические условия определяют требования к параметрам сигналов взаимо­действия и способу их передачи; логические — номенклатуру сиг­налов; пространственные и временные — соотношение между ними; конструктивные — конструктивные требования к элементам интер­фейса: вид разъема, место его расположения, порядок распайки и т. д. Изделия агрегатных комплексов, обладающих указанными ви­дами совместимости, позволяют строить различные системы кон­троля и управления методами проектной компоновки. Такой спо­соб построения систем значительно упрощает и сокращает сроки создания систем.