Основні операції процесу вимірювання

Будь-яке вимірювання здійснюється за допомогою обов’язкового виконання фізичного експерименту, в якому взаємодіють об`єкт вимірювання і засоби вимірювальної техніки, що мають нормовані метрологічні характеристики.

Основними компонентами вимірювального процесу є: об`єкт вимірювання з конкретною вимірюваною величиною, метод і методика вимірювання, засоби вимірювальної техніки, умови вимірювань, обчислювальні засоби і методи, результати вимірювань, методика їх опрацювання та способи подання кінцевих результатів вимірювання (рис. 1.3).

Рисунок 1.3. Елементи вимірювального процесу.

В процесі вимірювання виконуються такі метрологічні операції:

- відтворення фізичної величини заданого розміру (створення міри);

- порівняння (порівнюються дві однорідні фізичні величини: одна з них – вимірювана, а друга – вихідне квантоване значення міри);

- вимірювальне перетворення (якщо для фізичної величини не існує міри і пристрою порівняння, тоді фізичну величину однієї природи перетворюють у пропорційне значення фізичної величини іншої природи);

- масштабне перетворення – зміна розміру фізичної величини в задане число разів без зміни природи цієї величини.

Для реалізації вимірювання в найпростішому випадку необхідно провести операцію відтворення ряду величин з відомими розмірами (відтворення міри) і операцію порівняння фізичної величини з мірою. Видача результатів вимірювання відбувається тоді, коли різниця між невідомою фізичною величиною і відтвореною мірою x_N не стане меншою кроку квантування міри q_x (мінімальне значення міри, яке приймається за одиницю даної величини) або її долі. Для розширення діапазону вимірювання та підвищення точності вимірювання використовують операцію масштабування.

Операцію по відтворення міри N[Q] формально можна представити як перетворення коду (числа) N в задану фізичну величину Q_M, основану на одиниці даної фізичної величини [Q]:

або

За кількістю відтворюваних розмірів міри поділяються на однозначні та багатозначні. У вимірювальних приладах використовуються:

1. Одноканальні нерегульовані міри, в яких відтворюються величини одного незмінного розміру ;

Приклади однозначних мір: вимірювальна котушка електричного опору, нормальний елемент, конденсатор сталої ємності, гиря 1 кг та інш.

2. Одноканальні регульовані міри, в яких відбувається розділення в часі вихідних величин міри

Наприклад, в аналого-цифрових перетворювачах (АЦП), які використовуються для перетворення аналогових електричних сигналів у цифровий код.

Чим більша багатозначність міри (N_i – число рівнів квантування), тим точніше можна виміряти фізичну величину.

3. Вимірювання величин, які змінюються в широкому діапазоні значень, вимагає відтворення багатозначних мір, які змінюються з часом або одночасно мають різні величини.

Багатоканальні нерегульовані міри, в яких відбувається просторове розділення вихідних величин міри

Прикладом багатоканальної нерегульованої міри є лінійка, шкала стрілочного вимірювального приладу або подільник напруги з нерухомими відпайками.

На рис. 1.4 показано подільник напруги зі сталим кроком квантування .

Рисунок 1.4. Подільник напруги.

при R1 = R2 = … RN = R0

4. Багатоканальні регульовані міри, які мають просторове і часове розділення вихідних величин міри .

Масштабування – це утворення вихідного сигналу, однотипного з вхідним, величина якого пропорційна в разів по відношенню до вхідного сигналу. Математично операцію масштабування записують як співвідношення між вихідним x₁ і вхідним x сигналами: x₁ = К_МП∙x, де К_МП – коефіцієнт перетворення (кратність). Масштабування призводить до збільшення (К_МП > 1) або зменшення (К_МП < 1) вхідного сигналу і апаратурно реалізується в масштабних перетворювачах, які є підсилювачами або атенюаторами (подільниками) по відношенню до вхідного сигналу. Часто масштабні перетворювачі використовуються як нормувальні вузли, які вхідну величину, що змінюється в широкому діапазоні значень, нормують на виході до необхідної величини східчастою або плавною зміною К_МП (вручну або автоматично).

Масштабні перетворювачі (МП), як і міри, бувають чотирьох типів:

- одноканальний нерегульований МП, в якому

x1 = КМП∙x, КМП = const

Якщо К_МП > 1, відбувається підсилення вхідного сигналу;

К_МП > 1 – ослаблення;

К_МП = 1 – повторення;

- одноканальний регульований МП, в якому

	x1 = КМП∙x, КМП = var
	Форма сигналу повинна залишатись незмінною. Залежність між вхідним та вихідним сигналами лінійна;

- багатоканальний нерегульований МП, для якого

x1 = К1 МП∙x, x2 = К2 МП∙x, … xn = Кn МП∙x, Кі МП = const, і = 1, 2, …, n.

По кожному каналу свій коефіцієнт К_і = const. Використовується для швидких вимірювань;

- багатоканальний регульований МП, для якого

x1 = К1j МП∙x, x2 = К2j МП∙x, … xn = Кnj МП∙x, Кіj МП = var, і = 1, 2, …, n; j = 1, 2, …, m.

В кожному каналі можна змінювати К_{іj МП}.

Прикладом одноканального регульованого МП є вхідний вузол (атенюатор) каналу вертикального відхилення (канал Y) осцилографа, який східчасто змінює чутливість по вертикалі від одиниць мілівольт на сантиметр [мВ/см] до десятків вольт на сантиметр [В/см]. Приєднання зовнішнього подільника (1:10) дає можливість додатково розширити (на один порядок в сторону більших значень вхідного сигналу) діапазон вимірювання. В каналі горизонтального відхилення (канал X) більшість осцилографів мають також масштабний перетворювач, який при його перемиканні змінює в 2; 5 або в 10 разів масштаб по часу (режим «Розтягування»).

Порівняння – сукупність прийомів для визначення співвідношення двох однорідних величин, одна з яких вимірювана, а друга – вихідне значення міри.

Для виконання цієї операції використовують пристрій порівняння (в схемотехніці називається компаратор).

Пристрій порівняння може бути виконаний на основі віднімання або ділення.

Вимірювальне перетворення – це є перетворення фізичної величини однієї природи в фізичну величину іншої природи (для якої є міра і пристрій порівняння). Ця операція виконується, якщо для вимірюваної величини не створено міри і пристрою порівняння.

Наприклад:

U = R∙I – перетворення струму в напругу

В загальному випадку вимірювальне перетворення може мати складний характер:

де k – коефіцієнт перетворення; g – коефіцієнт, що враховує нахил характеристики; Dy – початкове зміщення нуля характеристики; Df (x) – нелінійна складова характеристики.

Методи вимірювань

Метод вимірювання – це визначена послідовність виконання метрологічних операцій для знаходження значення вимірюваної величини. Всі без винятку методи вимірювань є різновидами одного єдиного методу – методу порівняння з мірою, коли вимірювану величину порівнюють з величиною, відтвореною мірою. Розрізняють такі різновиди цього методу: метод безпосередньої оцінки (значення вимірюваної величини визначають безпосередньо на відліковому пристрої багатозначної міри, на яку діє сигнал вимірюваної інформації, наприклад, вимірювання електричної напруги вольтметром); метод протиставлення (вимірювана величина і величина, відтворена мірою, одночасно діють на прилад порівняння – компаратор, за допомогою якого встановлюється співвідношення між ними. Наприклад, рівноплечеві ваги, коли вага міри М зрівноважує масу m, тобто
М = m); метод заміщення – вимірювану величину m₁ заміняють на вимірювачі відомою, відтвореною мірою М, до співпадання показань цих вимірювань (зважування з почерговим розміщенням вимірюваної маси і гир на одну чашу вагів); метод збігів – виміряють різницю між вимірюваною величиною і мірою, використовуючи збіг міток шкал, або періодичних сигналів (вимірювання довжини за допомогою штангенциркуля з ноніусом, в осцилографах частота генерації розгортки повинна збігатися або бути кратною частоті вимірюваного сигналу); нульовий метод – коли результуючий ефект дії вимірюваної величини і міри на прилад порівняння доводять до нуля. Нульовий метод забезпечує найбільшу точність вимірювань фізичної величини. Його різновидами є:

- компенсаційний метод, коли дія вимірюваної величини компенсується (зрівноважується) зразковою;

- мостовий метод, коли досягають нульового значення струму у вимірюваній діагоналі моста, в яку включено чутливий індикаторний прилад (нуль-індикатор).

Існують також комбіновані методи. Суть комбінованого методу полягає в тому, що у вимірюванні беруть безпосередню участь як вимірювальний прилад, так і міра, а результат вимірюваної величини визначають за показами міри і приладу (рис. 1.5). Такі методи ще називають методами неповного зрівноважування та різницевими (диференціальними) методами. Результат вимірювання величини знаходять як алгебраїчну суму показів міри x_М та приладу x_n:

Рисунок 1.5. Комбінований метод вимірювання.