Кратные и дольные единицы

Поскольку диапазоны значения измеряемых величин очень широки, то невозможно обойтись только исходными системными единицами физических величин. Для удобства работы и записи результатов используются вспомогательные единицы физических величин – так называемые кратные (большие единицы) и дольные (меньшие единицы), которые образованы путем введения приставок (коэффициентов) к исходным системным единицам. Примеры приставок: тера, гига, мега, кило, гекто, дека, деци, санти, милли, микро, нано, пико.

Виды измерений

Классификация измерений может производиться по нескольким признакам (табл. ).

Однократным называют измерение, выполненное один раз. Во многих случаях на практике выполняются именно однократные измерения, если результат измерений удовлетворяет условиям конкретной измерительной задачи.

Многократным называют измерение физической величины одного размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, то есть состоящее из ряда однократных измерений. Многократное измерение выполняют в случае, когда случайная составляющая погрешности однократного измерения может превысить требуемое значение. Выполнив ряд последовательных отдельных измерений, получают одно многократное измерение, погрешность которого может быть уменьшена методами математической статистики.

В зависимости от способа получения результата измерений или числового значения измеряемой величины измерения делят на прямые, косвенные, совместныеисовокупные.

Прямыми называют измерения, в которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных сравнением данной величины с мерой этой величины или из отсчета показаний средства измерений, градуированного в единицах этой величины. Примерами прямых измерений могут быть измерения длины линейкой, массы – при помощи весов, электрического напряжения – вольтметром и т. д. Прямые измерения являются основой для более сложных измерений.

Косвенныминазывают измерения, в которых значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и другими величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Косвенные измерения выполняют тогда, когда прямые измерения данной величины затруднены или невозможны, либо если косвенные измерения дают более высокую точность, чем прямые.

Примеры косвенных измерений: нахождение объема тела путем прямых измерений его геометрических размеров; определение температуры по изменению сопротивления терморезистора. Более точный результат косвенные измерения дают, например, при нахождении малых значений электрического сопротивления (микроомы). В этом случае значение сопротивления находят по закону Ома на основе измеренных значений тока и напряжения.

Совместными называют проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними. Например, снятие градуировочной характеристики датчика силы – одновременно измеряют входную величину (сила) и выходную величину (электрический сигнал).

Совокупными называют проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях. Так, совокупными являются измерения, при которых массы отдельных гирь набора находят по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь.

По точности и условиям проведения различают равноточные и неравноточные измерения.

Равноточныеизмерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью.

Неравноточныеизмерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных различающимися по точности средствами измерений и (или) в разных условиях.

Статическими называют измерения, при которых измеряемая физическая величина принимается за неизменную, по крайней мере, на время, необходимое для измерений.

Динамическиеизмерения – измерения изменяющихся во времени физических величин.

Следует отметить, что измерение одной и той же величины различными средствами измерений, имеющими различные инерционные свойства, может оказаться как динамическим, так и статическим.

По цели измерения делят на измерения максимально возможной точности, контрольные и технические.

Измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне науки и техники, выполняют в метрологических центрах при создании и эксплуатации исходных эталонов. Такие измерения необходимы также при некоторых физических экспериментах, например при определении значений физических констант, многих стандартных справочных данных и т. д.

Контрольные (контрольно-поверочные, метрологические) измерения, погрешность которых не должна превышать некоторое заранее заданное контрольное значение, выполняют, например, при поверке или калибровке средств измерений. В этом случае погрешность эталона должна быть в определенное число раз меньше погрешности поверяемого или калибруемого средства измерений. Соотношения погрешностей поверяемого прибора и эталона устанавливаются в поверочных схемах и методиках поверки.

Технические (рабочие) измерения выполняют в промышленности и в технике – везде, где погрешность измерений определяется применяемыми средствами измерений. Такие средства измерений называют рабочими, их метрологические характеристики должны быть достаточны для конкретной задачи.

Широко используются понятия «принцип и метод измерений».

Принцип измерений – физическое явление или совокупность физических явлений, положенные в основу измерения. Так, измерение массы тела с использованием силы тяжести путем взвешивания – это принцип измерения.

Метод измерений – совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с выбранным принципом измерений. Например: взвешивание тела с помощью пружинных или рычажных весов. Метод измерений обычно обусловлен устройством средства измерений.

Методы измерений

Под методом измерений понимают совокупность приемов использования принципов и средств измерений, выбранную для решения конкретной измерительной задачи. Значение физической величины находят посредством сопоставления ее размера с мерой единицы этой величины.

Методы непосредственной оценки и методы сравнения с мерой. По способу сравнения размера измеряемой величины с мерой различают методы непосредственной оценки и методы сравнения с мерой.

В методах непосредственной оценки измеряемая величина предварительно преобразуется в промежуточную величину, которая затем сравнивается с мерой этой величины. Например, в электромеханических стрелочных приборах измеряемый ток в измерительном механизме преобразуется во вращающий момент, который сравнивается с противодействующим моментом. В результате стрелка поворачивается на определенный угол. Значение тока определяется по шкале, предварительно отградуированной с помощью образцовой меры этой величины.

Методы непосредственной оценки делятся на прямые и косвенные. При прямых методах искомое значение физической величины определяют непосредственно в результате измерения, например, измерение электрического сопротивления омметром. При косвенных методах искомое значение находят по известной зависимости между этой величиной и величинами, непосредственно измеряемыми. Так, электрическое сопротивление может быть рассчитано на основе закона Ома, по току и напряжению, измеренным прямыми методами.

Методы непосредственной оценки имеют два недостатка.

1. Нелинейность статической характеристики и увеличение погрешности измерения при малых значениях величины.

2. Воздействие СИ на измеряемую величину, так как энергия, необходимая для СИ, отбирается от исследуемого процесса (искажение размера величины). В результате возникает так называемая погрешность взаимодействия средства измерений с объектом измерений (см. ГОСТ 8.009-84).

Примеры:

- уменьшение напряжения в электрической цепи из-за шунтирования входным сопротивлением вольтметра;

- снижение силы тока при включении амперметра;

- уменьшение температуры воды в стакане после помещения туда термометра (часть тепловой энергии идет на прогрев термометра);

- искажение размера детали из-за деформации усилием прижатия измерительного наконечника (особенно для мягких материалов).

Для измерения электрических величин с высокой точностью и высокой чувствительностью используется метод сравнения измеряемой величины с мерой. Мера и измеряемая величина, как правило, однородны (например, сравнение массы объекта и гирь 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) СИ при его градуировке.

Метод сравнения с мерой имеет несколько разновидностей: нулевой метод, дифференциальный метод, метод замещения и метод совпадений.

Нулевой метод (метод полного уравновешивания) – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и встречного воздействия меры на сравнивающее устройство сводят к нулю (рис. 1.9, а).

Рис. 1.9. Разновидности метода сравнения:

а – нулевой; б – дифференциальный; в – метод замещения

При дифференциальном методе полное уравновешивание не производят, а разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, отсчитывается по шкале прибора. Например, измерение массы на равноплечих весах, когда воздействие массы m_х на весы частично уравновешивается массой гирь m₀ а разность масс отсчитывается по шкале весов, градуированной в единицах массы (рис. 1.9, б). В этом случае значение измеряемой величины m_х = m₀ +Δ_m, где Δ_m – показания весов.

Метод замещения – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Пример. Взвешивание на пружинных весах Измерение производят в два приема. Вначале на чашу весов помещают взвешиваемую массу и отмечают положение указателя весов; затем массу m_х замещают массой гирь m₀, подбирая ее так, чтобы указатель весов установился точно в том же положении что и в первом случае. При этом m_х = m₀ (рис. 1.9, в).

В методе совпадений разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов. Пример – измерение числа оборотов вала с помощью стробоскопа. Вал периодически освещается вспышками света, и частоту вспышек подбирают так, чтобы метка, нанесенная на вал, казалась наблюдателю неподвижной. Метод совпадений, использующий совпадения основной и нониусной отметок шкал, реализуется в штанциркулях, применяемых для измерения линейных размеров.

Принцип работы нониуса основан на следующем. Точность визуальной интерполяции положения указателя между делениями шкалы низка (около 1/3 деления), однако глаз может с гораздо большей точностью фиксировать точное совпадение двух рисок. Ошибка в регистрации такого совпадения составляет доли толщины риски, что при тонких рисках значительно меньше, чем 1/3 расстояния между рисками. Нониус позволяет перевести информацию о положении указателя между делениями шкалы в регистрацию точного совпадения двух рисок– риски самой шкалы с риской вспомогательной шкалы– нониуса. Нониус представляет собой связанную с указателем подвижную шкалу, скользящую вдоль основной шкалы.

Рис. Штангенциркуль

Рис. Построение нониуса н примеры отсчета:

а – шкала нониуса с точностью отсчета 0,1 мм; б – отсчет 7 мм;

в – отсчет 6,5 мм

Высокая точность измерений методами сравнения достигается благодаря высокой точности мер, воспроизводящих размеры известной величины, и высокой чувствительности измерительных приборов.

Аналоговые и цифровые методы измерений. В зависимости от характера связи между измеряемой величиной и сигналами измерительной информации различают аналоговые и цифровые методы измерений. При аналоговом методе любому значению измеряемой величины (в пределах диапазона измерений) соответствует определенное значение сигнала измерительной информации. Примерами применения этого метода могут служить электромеханические стрелочные приборы или регистрирующие самописцы с непрерывной формой записи.

Цифровой метод характеризуется тем, что результат измерения (числовое значение) формируется в измерительном устройстве. При этом вырабатываются дискретные сигналы измерительной информации, которые обрабатываются числовым способом. В качестве примеров применения этого метода приведем цифровые приборы (отсчетное устройство в виде цифрового табло), а также цифро-печатающие устройства.

Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки. Точность измерения обычно существенно выше при цифровом методе измерения. Цифровой обеспечивает более высокую помехозащищенность информации при передаче на расстояние. С другой стороны, аналоговый вывод измеряемого значения имеет большую наглядность: например, наблюдать за стрелочным прибором существенно проще, чем за цифровыми показаниями.

Средства измерений

Технические средства, предназначенные для измерений, называют средствами измерительной техники. К средствам измерительной техники относят средства измерений и их совокупности, измерительные принадлежности и измерительные устройства.

Средство измерений (СИ) – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. К метрологическим характеристикам относят такие характеристики, которые влияют на результат измерений и на его погрешность.

Средством измерений называют разнообразные конструктивно законченные устройства, которые реализуют одну из двух функций:

- воспроизводят величину заданного размера, например: гиря – заданную массу, магазин сопротивлений – ряд дискретных значений сопротивления;

- вырабатывают сигнал (показание), несущий информацию о значении измеряемой величины. Показания средства измерений либо непосредственно воспринимаются органами чувств человека (показания стрелочного или цифрового прибора), либо являются недоступными для восприятия человеком и используются для преобразования другими техническими средствами.

Средства измерений подразделяют на меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки, измерительные системы (рис. 1.8).

Рис. Классификация СИ по роли в процессе измерения

и выполняемым функциям

Мера– средство измерений, предназначенное для воспроизведения и/или хранения физической величины одного или нескольких размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью. Различают следующие разновидности мер:

- однозначная мера – мера, воспроизводящая физическую величину одного размера (например, гиря 1 кг);

- многозначная мера – мера, воспроизводящая физическую величину разных размеров (например, штриховая мера длины);

- набор мер – комплект мер разного размера одной и той же физической величины, предназначенных для применения на практике как по отдельности, так и в различных сочетаниях (например, набор концевых мер длины).

Измерительный преобразователь – это средство измерений, предназначенное для преобразования сигналов измерительной информации в форму, удобную для дальнейшего преобразования, передачи, обработки, хранения. Как правило, эта информация недоступна для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительный преобразователь предназначен для выполнения измерительного преобразования – операции, при которой устанавливается взаимно однозначное соответствие между размерами преобразуемой и преобразованной физических величин, которые в общем случае являются неоднородными. Если входная и выходная величины измерительного преобразователя являются однородными, то он называется масштабным преобразователем, предназначенным для изменения размера величины или измерительного сигнала в заданное число раз.

По местоположению в измерительной цепи преобразователи делят на первичные и промежуточные.

Рис. Концевые меры длины

Первичный измерительный преобразователь – преобразователь, на вход которого непосредственно воздействуют измеряемая физическая величина, то есть первый преобразователь в измерительной цепи средства измерения. Конструктивно обособленные первичные преобразователи часто называют датчиками. Датчик может быть вынесен на значительное расстояние от остальных частей средства измерений.

Промежуточные измерительные преобразователи располагаются в измерительной цепи после первичного преобразователя. Измерительные преобразователи очень разнообразны по конструктивному решению и принципам действия. К измерительным преобразователям относятся термопары, измерительные трансформаторы тока и напряжения, измерительные усилители, электромеханические измерительные механизмы, аналого-цифровые преобразователи и т. д.

Измерительный прибор – это средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Измерительный прибор представляет собой совокупность преобразовательных элементов и отсчетного устройства, преобразующего измерительный сигнал в форму, доступную восприятию органами чувств человека.

По форме индикации измеряемой величины измерительные приборы делят на:

- показывающие, которые допускают только отсчитывание показаний при измерении величины, например стрелочный или цифровой вольтметр;

- регистрирующие, предусматривающие регистрацию показаний на каком-либо носителе информации. Регистрация может проводиться в аналоговой или цифровой форме; различают самопишущие и печатающие измерительные приборы.

По форме преобразования используемых измерительных сигналов измерительные приборы подразделяют на аналоговые и цифровые.

Аналоговые приборы – это приборы, показания или выходной сигнал которых является непрерывной функцией изменения измеряемой величины.

Цифровые приборы – это приборы, принцип действия которых основан на квантовании измеряемой или пропорциональной ей величины.

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте.

Измерительная система – совокупность функционально объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, размещенных в разных точках контролируемого объекта и соединенных между собой каналами связи, предназначенных для измерений одной или нескольких физических величин. И в установках, и в системах выходной сигнал измерительной информации может иметь форму, удобную как для непосредственного восприятия, так и для автоматической обработки, передачи и использования в автоматизированных системах управления. Измерительные системы разделяют на измерительные информационные, измерительные контролирующие, измерительные управляющие.

Измерительно-вычислительный комплекс – функционально объединенная совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомогательных устройств, предназначенных для выполнения в составе измерительной системы конкретной измерительной задачи.

К измерительной технике относятся также средства сравнения – технические средства или специально создаваемая среда, посредством которых возможно сравнивать друг с другом меры однородных величин или показания измерительных приборов. Иногда техническое средство сравнения снабжается средством измерений, обеспечивающим функцию сравнения.

Примеры средств сравнения:

1. Рычажные весы, на одну чашку которых устанавливается эталонная гиря, а на другую поверяемая.

Средство сравнения, предназначенное для сличения мер однородных величин, называют компаратором. Примерами таких устройств могут служить рычажные весы и компаратор для сличения нормальных элементов.

2. Градуировочная жидкость для сравнения показаний эталонного и рабочего ареометров. Ареометр контролирует плотность жидкости, зависящую, например, от процентного содержания спирта.

3. Температурное поле, создаваемое термостатом для сравнения показаний термометров.

4. Образцовое давление масла, создаваемое грузопоршневым манометром, служащее для поверки рабочих манометров.

Рис. Грузопоршневой манометр

По роли в системе обеспечения единства измерений различают:

- эталон физической величины – средство измерений (или комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утвержденное в качестве эталона;

- рабочее средство измерений, предназначенное для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измерений.

По отношению к измеряемой физической величине выделяют:

- основное средство измерений, предназначенное для измерений той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с поставленной задачей;

- вспомогательное средство измерений, предназначенное для измерений той физической величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерения необходимо учесть для получения результатов измерения требуемой точности. Пример – термометр для измерения температуры газа в процессе измерения объемного расхода этого газа.

Особое место в измерительной технике занимают индикаторы – технические устройства, предназначенные для установления наличия какой-либо физической величины или превышения уровня ее порогового значения. Индикаторы не относятся к средствам измерений. Примеры: светодиод, индицирующий наличие сетевого напряжения; стрелочный индикатор близости сигнала к нулю, называемый нуль-индикатором. При химических реакциях в качестве индикатора применяют лакмусовую бумагу и какие-либо вещества. В области измерений ионизирующих излучений индикатор часто дает световой и звуковой сигнал о превышении уровнем радиации его порогового значения

Измерительные принадлежности – вспомогательные средства, служащие для обеспечения необходимых условий для выполнения измерений с требуемой точностью, например: термостат, барокамера, специальные противовибрационные фундаменты, устройства, экранирующие влияние электромагнитных полей, тренога для установки прибора по уровню.

Измерительное устройство – часть измерительного прибора (установки или системы), связанная с измерительным сигналом и имеющая обособленную конструкцию и назначение. Пример – регистрирующее устройство измерительного прибора (включающее ленту для записи, лентопротяжный механизм и пишущий элемент), измерительный преобразователь.