Виды и методы измерений. Измерения очень разнообразны и это связано с массовыми производственными измерениями измеряемых физических величин

Измерения очень разнообразны и это связано с массовыми производственными измерениями измеряемых физических величин, различным характером их проявления во времени, различными требованиями к точности измерений, различными способами получения результата и т.д. в разных отраслях промышленности.

Измерение, согласно определению, предполагает сравнение исследуемой физической величины с однородной физической величиной, значение которой принято за единицу и представление результата этого сравнения в виде числа.

Измерение – это многооперационная процедура и для его выполнения необходимо осуществление основных измерительных операций: воспроизведения, сравнения, измерительного преобразования, масштабирования.

Воспроизведение величины заданного размера - это операция создания выходного сигнала с заданным размером информативного параметра. Эта операция реализуется средством измерений – мерой.

Сравнение – это определение соотношения между однородными величинами, осуществляемое путем их вычитания. Эта операция реализуется устройством сравнения, или компаратором.

Измерительное преобразование – операция преобразования входного сигнала в выходной, реализуемая измерительным преобразователем. Выходные сигналы измерительных преобразователей и их информативные параметры унифицированы ГСП. Унифицированными сигналами являются постоянное напряжение 0–10 В, постоянный ток 0–5 мА, 0–20 мА, 4–20 мА

Масштабирование – это создание выходного сигнала, однородного с входным, размер информативного параметра которого пропорционален в К раз размеру

информативного параметра входного сигнала. Масштабное преобразование реализуется в устройстве, которое называется масштабным преобразователем.

Виды измерений. В зависимости от способа получения результата измерения делятся на виды: прямые и косвенные, совокупные и совместные.

Прямые – измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. К прямым измерениям относится нахождение значения напряжения, тока, мощности и т.д. по шкале прибора.

Y = ƒ(X), (1.1)

Косвенные - измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной математической зависимости между этой величиной и величинами, которые подвергаются прямым измерениям. При этом числовое значение искомой величины определяется как

Y = ƒ(X, Z, … , W), (1.2)

где Y – действительное значение измеряемой величины;

X, Z, … , W - значения непосредственно измеряемых величин.

К косвенным измерениям относится нахождение значения мощности в нагрузке

(Р = U·I) по показанию амперметра и вольтметра; определение значения активного сопротивления R резистора (R = U / I) на основе прямых измерений силы тока I через резистор и падения напряжения U на нем. В измерительной практике мы в основном встречаемся с косвенными измерениями. Они сложнее прямых, они широко применяются в практике измерений, особенно там, где прямые измерения практически невыполнимы, либо тогда, когда косвенное измерение позволяет получить более точный результат по сравнению с прямым измерением.

Совокупные – измерения, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений из нескольких одноименных величин, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. К совокупным измерениям относится нахождение сопротивлений двух резисторов по результатам измерения их сопротивления при последовательном и параллельном их включении или нахождение массы отдельных гирь набора по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний этих гирь.

Совместные – это производимые одновременно измерения двух или нескольких не одноименных величин для нахождения зависимости между ними. Числовые значения искомых величин как и в случае совокупных измерений определяются из системы уравнений, связывающих значения искомых величин со значениями величин, измеренных прямым (или косвенным) способом. Число уравнений соответствует числу искомых величин. Например, по результатам прямых измерений значений сопротивления терморезистора при двух различных температурах позволяют решением системы уравнений рассчитать значения двух коэффициентов.

Методы измерения. Совокупность приемов использования принципов и средств измерений составляют метод измерения. Различные методы измерений отличаются организацией сравнения измеряемой величины с единицей измерения. С этой точки зрения все методы измерений подразделяются на две группы: методы непосредственной оценки (метод прямого преобразования) и метод сравнения (метод уравновешивающего преобразования).

Метод непосредственной оценки (отсчета) заключается в том, что о значении измеряемой величины судят по показанию прибора, заранее отградуированного в единицах измеряемой величины. Метод отличается своей простотой, точность его невысока.

Методы сравнения (с мерой) - это все методы, при которых измеряемая величина сравнивается с величиной воспроизводимой мерой. Эти методы сложны, но характеризуются высокой точностью.

Методы сравнения включают в себя дифференциальный и нулевой методы, противопоставления, метод замещения и метод совпадений.

Дифференциальный (разностный) метод заключается в том, что измерительным прибором оценивается разность между измеряемой величиной и образцовой мерой. Точность метода возрастает с уменьшением разности между сравниваемыми величинами Например, при измерении параметров цепи: сопротивления, индуктивности, емкости и др.

Нулевой метод является частным случаем дифференциального метода и заключается в том, что результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводится до нуля. Например, мостовой метод измерения сопротивления, индуктивности, емкости и др.

Метод противопоставления (компенсационный) состоит в том, что измеряемая величина и противопоставляемая ей образцовая мера одновременно воздействуют на прибор сравнения, по которому устанавливают их соотношение. В схеме измерения имеются два источника напряжения. Например, компенсационный метод измерения э.д.с. или напряжения.

Метод замещения заключается в том, что измеряемая величина замещается в измерительной схеме регулируемой образцовой мерой так, что никаких изменений в состоянии измерительной схемы не происходит, т.е. показания прибора будут те же, что и при включении измеряемой величины. Например, при измерении индуктивности, емкости.

Метод совпадений состоит в том, что измеряют разность между искомой величиной и образцовой мерой, используя совпадения отметок или периодических сигналов. Например, для измерения перемещений, периода, частоты.

1.1. Погрешности измерений и их классификация

Процедура измерения состоит из следующих этапов: принятие модели объекта измерения, выбор метода измерения, выбор СИ, проведение эксперимента для получения результата. Все эти составляющие приводят к тому, что результат измерения отличается от истинного значения измеряемой величины на некоторую величину, называемую погрешностью измерения.

Измерения подразделяют на однократные и многократные. Однократные, или разовые, измерения проводятся обычно в случаях, когда допускается погрешность измерения не превышающая удвоенного значения средней квадратической составляющей случайной составляющей погрешности СИ. Для получения более высокой точности измерения выполняют с многократными наблюдениями с последующей статистической обработкой полученных результатов.

Погрешности можно систематизировать по следующим признакам:

По способу выражения погрешности измерения делят на абсолютные и относительные.

Абсолютная погрешность измерения - разность между измеренным значением X_ИЗМ физической величины и ее истинным значением X_И, выраженная в единицах измеряемой величины

D = X_ИЗМ - X_И, (1.3)

Относительная погрешность измерения – это отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины, в процентах

γ_О = (D / X_И) × 100%. (1.4)

По характеру изменения погрешности подразделяются на систематические и случайные.

Систематическая погрешность - составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины. Случайная погрешность - составляющая погрешности при повторных измерениях одной и той же величины изменяется случайным образом.

По месту возникновения погрешности подразделяются на инструментальные и методические.

Инструментальные погрешности – составляющие погрешности измерения, зависящие от погрешностей применяемых СИ. Методические погрешности – составляющие погрешности измерения, возникающие из-за несовершенства выбранного метода измерения, ограничения точности значений используемых физических констант.

1.2. Метрологические характеристики средств измерений

Все средства измерений имеют общие свойства, позволяющие сопоставлять их между собой: метрологические, эксплуатационные, информационные и др. Отдельные виды и типы средств измерений обладают своими специфическими свойствами. Наиболее важными являются метрологические свойства (характеристики) средств измерений.

Метрологические характеристики.

Характеристики СИ, влияющие на результаты и погрешности измерений, называют метрологическими характеристиками. От того насколько они точно будут выдержаны при изготовлении, насколько они будут стабильны при эксплуатации, зависит точность результатов, получаемая с помощью СИ.

К метрологическим характеристикам относятся:

Функция преобразования (статическая характеристика преобразования) - функциональная зависимость между информативными параметрами выходного и входного сигналов средства измерений. Функцию преобразования, принимаемую для средства измерения (типа) и устанавливаемую в научно-технической документации на данное средство (тип), называют номинальной функцией преобразования средства (типа). Номинальная статическая характеристика преобразования позволяет рассчитать значение входной величины по значению выходной. Она может задаваться аналитически, таблично или графически.

Чувствительность средства измерений - отношение приращения выходного сигнала Dy средства измерений к вызвавшему это приращение изменению входного сигнала Dx. В общем случае чувствительность

S = lim Δy/ Δx (1.5)

Δx→0

При нелинейной статической характеристике преобразования чувствительность зависит от X, при линейной характеристике чувствительность постоянна.

У измерительных приборов при постоянной чувствительности шкала равномерная, т.е. расстояние между делениями шкалы одинаковое.

Цена деления шкалы - разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы.

Приборы с равномерной шкалой имеют постоянную цену деления. В приборах с неравномерной шкалой цена деления может быть различной на разных участках шкалы и в этом случае нормируется минимальная цена деления. Цена деления шкалы прибора может быть определена через его абсолютную чувствительность и равна числу единиц измеряемой величины, приходящихся на одно деление шкалы прибора (постоянная прибора): 1

C= ----- (1.6)

S

Порог чувствительности это наименьшее изменение входной величины, обнаруживаемое с помощью данного средства измерений. Порог чувствительности выражают в единицах входной величины.

Диапазон измерений - область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений. Диапазон измерений ограничивается наибольшим и наименьшим своими значениями. С целью повышения точности измерений диапазон измерений средства измерений может быть разбит на несколько поддиапазонов. При переходе с одного поддиапазона на другой некоторые составляющие основной погрешности уменьшаются, что приводит к повышению точности измерений. При нормировании допускают для каждого поддиапазона свои предельные погрешности.

Область значений шкалы, ограниченную начальными и конечными значениями 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. Входное сопротивление влияет на мощность, потребляемую от объекта исследования средством измерения.

Допустимая нагрузка на средство измерений зависит от выходного полного сопротивления Z_вых средства измерений. Чем меньше выходное сопротивление, тем больше допустимая нагрузка на средство измерений.

Вариация выходного сигнала это разность между значениями выходного сигнала, соответствующими одному и тому же действительному значению входной величины при медленном подходе слева и справа к выбранному значению входной величины.

Вариация показаний прибора - наибольшая вариация выходного сигнала прибора при неизменных внешних условиях. Она является следствием трения и люфтов в узлах приборов, механического и магнитного гистерезиса элементов и др.

Погрешность СИ является важнейшей метрологической характеристикой и определяет, насколько действительные свойства СИ близки к номинальным.

Описанные выше характеристики являются статическими, т.е. не зависящими от времени.

На практике чаще измеряемая величина меняется во времени, время измерения ограничено, параметры измерительного прибора только приближенно неизменны.

К метрологическим характеристикам СИ относятся динамические характеристики, т.е. характеристики инерционных свойств (элементов) измерительного устройства, определяющие зависимость выходного сигнала средства измерений от меняющихся во времени величин: параметров входного сигнала, внешних влияющих величин, нагрузки. К таким характеристикам относят переходную характеристику, импульсную переходную характеристику, амплитудно-фазовую характеристику, передаточную функцию и др.

Динамические свойства средства измерений определяют динамическую погрешность.

Динамической погрешностью называют разность между погрешностью прибора в динамическом режиме и его статической погрешностью.

Нормируемые метрологические характеристики. Для каждого вида СИ, исходя из их специфики и назначения, нормируется определенный комплекс метрологических характеристик, указываемый в нормативно-технической документации на СИ.

Нормируемые метрологические характеристики, включаемые в этот комплекс, должны отражать реальные свойства СИ и их номенклатура должна быть достаточной для оценки инструментальной составляющей погрешности измерений в рабочих условиях применения СИ с той степенью достоверности, которая требуется для решения поставленной измерительной задачи. Общий перечень нормируемых метрологических характеристик СИ, формы их представления и способы нормирования установлены в ГОСТ. В него входят:

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 единицы наименьшего разряда цифровых СИ;

номинальное значение однозначной меры, номинальная статическая характеристика преобразования измерительного преобразователя;

погрешность СИ;

вариация показаний прибора или выходного сигнала преобразователя;

полное входное сопротивление измерительного устройства, полное выходное сопротивление измерительного преобразователя или меры;

неинформативные параметры выходного сигнала измерительного преобразователя или меры;

динамические характеристики СИ; функции влияния

Кроме метрологических характеристик, при эксплуатации средств измерений, важно знать и неметрологические характеристики такие как показатели надежности, электрическую прочность, сопротивление изоляции, устойчивость к климатическим и механическим воздействиям, время установления рабочего режима и др.

Под надежностью средства измерений понимают способность средства измерений сохранять нормированные характеристики при определенных условиях работы в течение заданного времени. Основными критериями надежности приборов являются вероятность безотказной работы и средняя продолжительность безотказной работы.

Вероятность безотказной работы определяется вероятностью отсутствия отказов прибора в течение определенного промежутка времени.

Средняя продолжительность безотказной работы определяется отношением продолжительности безотказной работы к числу отказов за это время.

1.3. Классификация погрешностей средств измерений

По способу выражения погрешности подразделяют на абсолютные, относительные и приведенные.

Абсолютная погрешность СИ выражается в единицах измеряемой величины и определяется по формуле:

Δ = Х_ИЗМ – Х_Д = Х_НОМ – Х_Д, (1.7)

где Х_ИЗМ - измеренное значение величины (показание СИ); Х_Д – действительное значение измеряемой величины; Х_НОМ – номинальное значение меры.

Относительная погрешность (1.2) изменяется по шкале прибора, с увеличением значений измеряемой величины она уменьшается. Эта погрешность наиболее полно характеризует точность измерения, выполненного с помощью СИ.

Приведенная погрешность СИ – отношение абсолютной погрешности к предельному значению шкалы (равному верхнему пределу измерений - диапазону измерений, длине шкалы и др.)

γ_ОП = (D / X_П) × 100%. (1.8)

По причине и условиям возникновения погрешности СИ подразделяют на основные и дополнительные.

Основная - это погрешность свойственная СИ, находящимся в нормальных условиях применения. Она возникает из-за неидеальности собственных свойств СИ и показывает отличие действительной функции преобразования СИ в нормальных условиях от номинальной. В технической документации на СИ оговариваются нормальные значения (диапазон значений) условий эксплуатации СИ: температура окружающей среды, отклонение положения СИ в пространстве от нормального, частота, напряжение и форма кривой питающего напряжения, внешние электрические и магнитные поля и др. Например, под нормальными условиями могут пониматься: температура окружающей среды (20 ± 5) °С; положение прибора горизонтальное с отклонением от горизонтального ±2 °; относительная влажность (65 ± 15) %; практическое отсутствие магнитных и электрических полей; напряжение питающей сети (220 ± 4,4) В, частота питающей сети (50±1) Гц и т.д.

Предел допускаемой основной погрешности - это наибольшая основная погрешность, при которой СИ может быть признано годным и допущено к применению по техническим условиям.

Наряду с основной погрешностью нормированию подлежит и дополнительная погрешность.

Дополнительная - это погрешность СИ, обусловленная отклонением внешних условий эксплуатации от нормальных.

Предел допускаемой дополнительной погрешности - это та наибольшая дополнительная погрешность, при которой средство измерения может быть ещё допущено к применению. Например, для прибора класса точности 1,0 приведенная дополнительная погрешность при изменении температуры на 10°С не должна превышать ±1%, что означает, что при изменении температуры среды на каждые 10°С добавляется дополнительная погрешность 1 %.

Обобщенная метрологическая характеристика, определяемая пределами допускаемых основной и дополнительной погрешностей, значения которых устанавливаются в технической документации на СИ, называется классом точности СИ.

ГОСТ устанавливает 9 классов точности для аналоговых электромеханических приборов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 6,0.

По характеру изменения погрешности СИ подразделяются на систематические и случайные.

Систематическая погрешность СИ – составляющая погрешности СИ, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при многократных измерениях одной и той же величины. Качество измерительного прибора, отражающее близость к нулю его систематических погрешностей, называется правильностью.

К переменным систематическим погрешностям относят погрешности, обусловленные нестабильностью напряжения источника питания, влиянием внешних магнитных полей и других влияющих величин.

Случайная погрешность СИ – составляющая погрешности СИ, изменяющаяся случайным образом. Качество измерительного прибора, отражающее близость к нулю его случайной погрешности, называется сходимостью показаний.

К случайным погрешностям относят погрешности от гистерезиса (вариация показаний выходного сигнала СИ), погрешности из-за нестабильности переходного сопротивления в контактах коммутирующих устройств, трения в опорах подвижной части приборов и др.

По зависимости от Х погрешности СИ подразделяются на аддитивные, не зависящие от Х и мультипликативные, пропорциональные Х.

Суммарная абсолютная погрешность

γ_М = D_М / X - относительное значение мультипликативной погрешности.

где d = γ_АД ; с = γ_АД + γ_М

Аддитивная погрешность (D_АДД) – не зависит от чувствительности прибора и является постоянной по величине для всех значений входной величины Х в пределах диапазона измерений. Источником данной погрешности являются такие явления как: трение в опорах, шумы, наводки, вибрации, погрешности нуля, погрешность дискретности (квантования) в цифровых приборах и др. От величины этой погрешности зависит наименьшее значение входной величины. Если прибору присуща только аддитивная погрешность или она существенно превышает другие составляющие, то предел допустимой основной погрешности нормируют в виде приведенной погрешности (1.6)

Мультипликативная погрешность зависит от чувствительности прибора и изменяется пропорционально текущему значению входной величины. Источником этой погрешности являются: погрешности и регулировки отдельных элементов СИ (например, шунта и добавочного резистора), старение элементов, изменение их характеристик, влияние внешних факторов.

Если прибору присуща только мультипликативная погрешность или она существенна, то предел допускаемой относительной погрешности выражают в виде относительной погрешности (1.2). Класс точности таких СИ обозначают одним числом, помещенным в кружок и равным пределу допускаемой относительной погрешности, например счетчик электрической энергии класса .

Для средств измерений, у которых аддитивная и мультипликативная составляющие соизмеримы, предел допускаемой основной погрешности выражается двухчленной формулой (1.8). Обозначение класса точности для них состоит из двух чисел, выражающих с и d в процентах и разделенных косой чертой (с/d), например класс 0,02/0,01.К этой группе средств измерений относятся цифровые мосты, компенсаторы с ручным и автоматическим уравновешиванием.

Аддитивная и мультипликативная погрешности также подразделяются на систематические и случайные составляющие.

Для средств измерений, у которых нормирована погрешность, приведенная к длине шкалы (1.6), класс точности обозначается одним числом в процентах, помещенным между двумя линиями, расположенными под углом, например . К ним относятся показывающие приборы с резко неравномерной шкалой (например, гиперболической или логарифмической).

Конкретные ряды классов точности устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерения.

По режиму изменения Х погрешности СИ подразделяются на статические и динамические.

Статической погрешностью СИ - погрешность прибора, используемого для измерения постоянной во времени величины.

Динамической погрешностью СИ – погрешность прибора, используемого для измерений переменной во времени величины.

Вопросы для самопроверки к главе 1:

1. Какие основные измерительные операции выполняются при измерении?

2. Какие унифицированные сигналы имеют измерительные преобразователи?

3. Что такое масштабирование?

4. В чем отличие прямых измерений от косвенных?

5. Приведите пример совокупных и совместных измерений.

6. Дайте определение метода измерений.

7. Какие Вам известны методы измерений?

8. Приведите классификацию погрешностей измерений.

9. Что такое относительная погрешность?

10. Что такое приведенная погрешность?

11. Что такое поправка?

12. Приведите классификацию средств измерения.

13. Перечислите основные метрологические характеристики.

14. Особенности нормируемых метрологических характеристик.

15. Перечислите основные нормируемые метрологические характеристики.

16. Сформулируйте отличие понятий чувствительности и порога чувствительности.

17. Что такое цена деления шкалы прибора?

18. В чем отличие диапазона измерений от диапазона показаний?

19. Приведите классификацию погрешностей средств измерений.

20. Как обозначается класс точности для различных средств измерений?

21. Сколько классов точности электромеханических измерительных приборов согласно ГОСТ?

22. Что характеризует класс точности прибора?

23. Перечислите классы точности электромеханических измерительных приборов.

Глава 2. Преобразователи и приборы.

2.1. Электромеханические преобразователи.

Электромеханические преобразователи. В этих преобразователях электрическая энергия преобразуется в механическую энергию перемещения подвижной части относительно неподвижной. На основе таких преобразователей, которые называются "измерительными механизмами", строятся электромеханические измерительные приборы (ЭИП), проектирование которых подробно изложены у Арутюнова и Крюкова Н.С..

В науке, технике и производстве все чаще возникают задачи точного измерения различных неэлектрических величин. Внедрение механизации и комплексной автоматизации в производство требует быстрого и точного контроля технологических процессов, т. е. измерения самых разнообразных физических величин. Особенно большое количество различных неэлектрических величин требуется контролировать в металлургической, химической и текстильной промышленностях. Развитие измерительной техники показало, что среди разнообразных методов измерения неэлектрических величин наибольшими преимуществами обладают электрические методы. Их отличительными достоинствами являются:

- возможность измерения сигналов очень малой величины - применение электронных усилителей дает возможность измерять такие сигналы, которые не могут быть измерены никакими другими способами;

- возможность передачи измеренной величины на расстояние, а, следовательно, и возможность дистанционного управления различными процессами;

- достаточно высокая точность и малая инерционность электроизмерительной аппаратуры;

- быстродействие, быстрота измерений;

- стандартизация, возможность комплектования измерительных и управляемых ими автоматических установок из блоков однотипной электрической аппаратуры.

Для того, чтобы неэлектрическую величину можно было измерить электрическим прибором, необходимо эту измеряемую величину преобразовать в пропорциональный ей ток или напряжение. Для этого служат специальные устройства, называемые измерительными преобразователями. Схемы для измерения неэлектрических величин могут быть довольно сложными, так как кроме измерительных преобразователей в схему могут входить усилители, выпрямители, источники питания, двигатели, неэлектрические преобразователи (например, пружины, оптические системы) и т. д.

2.2. Электромеханические измерительные приборы (ЭИП), используемые при неэлектрических измерениях

Эти приборы отличаются простотой, дешевизной, высокой надежностью, разнообразием применения, относительно высокой точностью, и представляют собой технические средства измерения.

Любой ЭП состоит из ряда функциональных преобразователей, каждый из которых решает свою элементарную задачу в цепи преобразований. Так самый простейший прибор прямого преобразования (вольтметр, амперметр) состоит (Рис.2.1.) из трех основных преобразователей: измерительной цепи (ИЦ) измерительного механизма (ИМ) и отсчетного устройства (ОУ).

Рис. 2.1.Структурная схема электромеханического измерительного прибора.

Несмотря на большое разнообразие конструкций и типов приборов - все они имеют ряд общих узлов и деталей. Tакими деталями являются: корпус, шкала, приспособление для отсчета, приспособление для установки и уравновешивания подвижной части и создания вращающего момента (МВР), успокоитель, корректор и в высокочувствительных приборах - арретир.