Вопрос 1. Классификация измерений. Методы измерения физических величин.

По назначению СИ делят на следующие группы:

• меры;
• измерительные преобразователи;
• измерительные приборы;
• измерительные установки;
• измерительные системы.

Мерой называетсяСИ, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величиныодного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленныхединицах и известны с необходимой точностью.

Меры бывают:

Однозначные - воспроизводящие физическую величину одного размера(гиря).

Многозначные - воспроизводящие ряд одноименных величин различногоразмера (измерительная линейка).

Наборы мер- комплект мер, применяемых не только по отдельности,но и в различных сочетаниях с целью воспроизведения ряда одноименных величинразличного размера (набор гирь, набор концевых мер).

Магазины мер - набор мер, объединенных в одно конструктивноецелое, со специальными переключателями, связанными с отсчетным устройством.

Штриховые меры– это меры, размер которыхопределяется расстоянием между осями двух измерительных штрихов.

Концевые меры– это меры, размер которыхопределяется расстоянием между двумя плоскими взаимно параллельными гранямиметаллического параллелепипеда.

Стандартные образцыпредставляют собой меру для воспроизведения единицывеличины, характеризующей свойства или состав веществ и материалов( например,образцы твердости, шероховатости, образцы стали с аттестованным содержанием химическихэлементов).

Образцовые вещества - это меры, представляющие собой вещества сизвестными свойствами, воспроизводимыми при соблюдении условий приготовления,указанных в утвержденной спецификации («чистая» вода, «чистые» газы, «чистые»металлы).

Измерительный преобразователь - это СИ, служащее для выработки измерительной информациив форме, удобной для передачи на расстояние, хранения, обработки, но неподдающейся непосредственному восприятию наблюдателя.

Измерительные преобразователи классифицируются по ряду признаков.

По местонахождению в измерительной цепи преобразователи делятся на первичные и промежуточные. Если входной величиной преобразователя является измеряемая физическая величина, то измерительный преобразователь называется первичным. Конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы, называется датчиком. Датчик может быть вынесен на значительное расстояние от средства измерений, принимающего его сигналы. Промежуточные преобразователи располагаются в измерительной цепи после первичного.

По виду входных и выходных величин измерительные преобразователи делятся:

• аналоговые, преобразующие одну аналоговую величину в другую аналоговую величину;
• на аналого-цифровые (АЦП), предназначенные для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код;
• цифроаналоговые (ЦАП), предназначенные для преобразования цифрового кода в аналоговую величину.

Измерительный преобразователь называется передающим, если он предназначен для дистанционной передачи сигнала измерительной информации. Примерами могут служить индуктивный или пневматический передающие преобразователи. Измерительный преобразователь, предназначенный для изменения величины в заданное число раз, называется масштабным( например, измерительный трансформатор тока, делитель напряжения, измерительный усилитель ).

Измерительный прибор - это СИ, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для восприятия наблюдателя.

Измерительные приборы представляют собой самую многочисленную группу СИ и классифицируются по различным признакам. Наиболее общими являются классификации по типу структурной схемы и способу выдачи измерительной информации.

По типу структурной схемы приборы подразделяются на приборы прямого действия и приборы сравнения.

В приборах прямого действия предусмотрено одно или несколько преобразований сигналов измерительной информации X в выходную величину Y в одном направлении от входа к выходу, т.е. без применения обратной связи. Примерами приборов прямого действия могут служить манометры, ртутно-стеклянные термометры, амперметры и др.

Приборы сравнения - это измерительные приборы, предназначенные для непосредственного сравнения измеряемой величины Xс величиной X _0, и разностная величина DX = X - X₀ используется для получения результата измерения. Примерами приборов сравнения являются равноплечие весы, электроизмерительный потенциометр (компенсатор), компаратор для линейных мер и др. В приборах сравнения мера присутствует в процессе каждого измерения.

По способу выдачи измерительной информации измерительные приборы подразделяются на показывающие и регистрирующие.

Показывающие приборы позволяют осуществить отсчитывание показаний; регистрирующие - отсчитывание, а также регистрацию измеряемой величины либо в функции времени, либо в функции другой величины.

К показывающим приборам относятся аналоговые и цифровые приборы.

Отсчетные устройства аналоговых приборов состоят из шкалы и указателя - стрелки, показания этих приборов являются непрерывной функцией измеряемой величины.

Шкала средств измерений - часть показывающего устройства СИ, представляющая собой упорядоченный ряд отметок вместе со связанной с ними нумерацией. Отметка шкалы - это знак на шкале СИ (черточка, зубец, точка и т.д.), соответствующий некоторому значению физической величины. Для цифровых шкал сами числа являются эквивалентами отметок шкалы.

Цена деления шкалы-это разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы СИ. Отметки наносятся на шкалу при градуировке прибора, т.е. при подаче на его вход сигнала с выхода образцовой многозначной меры. У части отметок шкалы проставляются числовые значения величины, подаваемой с выхода меры. Эти отметки становятся числовыми.

Шкала СИ имеет начальное и конечное значения. Они соответствуют наименьшему и наибольшему значениям измеряемой величины, которые могут быть отсчитаны по шкале СИ. При измерении с показывающего устройства считывается показание. Каждое СИ характеризуется диапазоном показаний и диапазоном измерений. Диапазоном показанийназывается область значений шкалы СИ, ограниченная ее начальным и конечным делениями. Диапазоном измерений называется область значений физической величины ( ФВ ), в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности СИ. Значения величины, ограничивающие диапазон снизу и сверху (слева и справа), называются соответственно нижним и верхним пределами измерений. Диапазон измерений всегда меньше или равен диапазону показаний.

Измерительная установка - это совокупность функционально-объединенных средств измерений (мер, измерительных преобразователей, измерительных приборов), предназначенных для выработки сигналов измерительной информации и расположенных компактно.

Измерительные установки применяются в лабораториях для научных исследований, для контроля качества материалов.

Измерительная установка - совокупность измерительных преобразователей, измерительных приборов и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки информации, удобной для автоматической обработки, передачи и использования в системах управления.

Все СИ по выполняемым метрологическим функциям делят на эталоны, рабочие эталоны и рабочие СИ.

Эталон единицы физической величины - это СИ ( или комплекс СИ ), обеспечивающее воспроизведение и хранение единицы с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений, официально утвержденное в установленном порядке. Рабочий эталон - это СИ, служащее для поверки или калибровки по ним других средств измерения и утвержденное в качестве рабочего эталона.

Поверка - это определение метрологическим органом погрешности средств измерения и установление его пригодности к применению.

Рабочие средства измерения - это СИ, применяемые в технических измерениях.

Поверочная схема - это утвержденный в установленном порядке документ, устанавливающий средства, методы и точность передачи размера единиц от эталона к рабочим СИ. Главной частью поверочной схемы является метрологическая цепь передачи размеров единицы от первичного эталона рабочим средством измерения.

Методы измерения.

Методы измерения (МИ) – способ получения результата измерений путем использования принципов и средств измерений.

МИ подразделяются на:

· Метод непосредственной оценки – значение измеряемой величины снимается непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия.

Преимущество – быстрота измерений, обусловливающая незаменимость для практического применения. Недостаток – ограниченная точность.

· Метод сравнения с мерой – измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Пример: измерение длины линейкой.

Преимущество – большая точность измерения, чем при методе непосредственной оценки. Недостаток – большие затраты времени на подбор мер.

· Метод противоставления – измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, единовременно действует на прибор сравнения, с помощью которого устанавливают соотношение между этими величинами.

Например, взвешивание на равноплечных весах, при котором измеряется масса, определяется как сумма массы гирь, ее уравновешивающих, и показаний по шкале весов.

Преимущество – уменьшение воздействия на результаты измерения факторов, влияющих на искажение сигналов измерительной информации. Недостаток – увеличение времени взвешивания.

· Дифференциальный (разностный) метод – характеризуется разностью измеряемой и известной (воспроизводимой мерой) величинами. Например, измерение путем сравнения с рабочим эталоном на компаторе, выполняемые при поверке мер длины.

Преимущество - получение результатов с высокой точностью, даже при применении относительно грубых средств для измерения разности.

· Нулевой метод – метод сравнения с мерой, в которой результирующий эффект воздействия на прибор сравнения доводят до нуля.

· Метод совпадения – метод сравнения с мерой, в которой разность между значениями искомой и воспроизводимой мерой величин измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.

Преимущество – метод позволяет существенно увеличить точность сравнения с мерой. Недостаток – затраты на приобретение более сложных СрИзм, необходимость наличия профессиональных навыков у оператора.

· Метод замещения – основан на сравнении с мерой, при котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой, сохраняя все условия неизменными. Например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов.

Преимущества – погрешность измерений мала, так как определяется в основном погрешностью меры и зоной нечувствительности прибора (ноль – индикатор). Недостаток – необходимость применения многозначных мер.

· Косвенный метод измерения – измерение физической величины одного наименования, связанной с другой искомой величиной, определенной функциональной зависимостью, с последующим расчетом путем решения управления. Косвенные методы широко применяются при химических методах испытания.

Преимущества – возможность измерения величин, для которых отсутствуют методы непосредственной оценки или они не дают достоверных результатов или связаны со значительными затратами. Недостатки – повышенные затраты времени и средств на измерение.