Лекция 5. Техника измерений. Виды, методы и средства измерений. Метрологические характеристики средств измерений.

5.1. Техника измерений. Виды, методы и средства измерений.

Измерением называется опытное определение численного значения физической величины в принятых единицах с помощью специальных тех­нических средств измерений.

Результат измерения - это численное значение физической величи­ны в принятых единицах, полученное путем измерения.

Средствами измерения называют технические средства, используе­мые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характе­ристики. Основными видами средств измерений являются:

- меры;

- измерительные приборы;

- измерительные преобразователи;

- измерительные устройства;

- информационные измерительные системы.

Нормированные метрологические характеристики у технических средств необходимы для того, чтобы определить погрешность измерения.

Мера - это средство измерения, предназначенное для воспроизведе­ния физической величины определенного размера, выраженного в приня­тых единицах. Например, гиря - мера массы, измерительный резистор - ме­ра электрического сопротивления, линейка - мера длины и т.д.

Измерительный прибор - средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия. По характеру показаний различают:

- показывающие измерительные приборы;

- регистрирующие измерительные приборы.

Показывающие измерительные приборы - приборы, допускающие только отсчитывание показаний.

Регистрирующие измерительные приборы - приборы, в которых предусмотрена возможность регистрации показаний. Регистрирующий прибор, в котором запись показаний осуществляется в форме диаграммы, называют самопишущим, а прибор, в котором предусмотрено печатание показаний в цифровой форме, называют печатающим.

По форме представления показаний различают:

- аналоговые измерительные приборы;

- цифровые измерительные приборы.

Аналоговые измерительные приборы - приборы, представляющие информацию в виде непрерывной функции измеряемой величины.

Цифровые измерительные приборы - приборы, представляющие информацию в виде отдельных дискретных сигналов в цифровой форме.

Измерительный преобразователь - это средство измерения, пред­назначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для обработки, хранения, дальнейшего преобразования или пере­дачи, но недоступной для непосредственного восприятия. В зависимости от назначения и выполняемых функций измерительные преобразователи под­разделяют на первичные, промежуточные, передающие, масштабные и т.д.

Измерительное устройство - это средство измерения, включающее измерительные приборы и измерительные преобразователи.

Информационная измерительная система - это средство измере­ния с многоканальными измерениями и контролем, а иногда и с обработкой информации по заданному алгоритму.

Средства измерения в зависимости от их назначения делят на три категории:

- рабочие;

- образцовые;

- эталоны.

Рабочими называют средства измерения, применяемые для повсе­дневных измерений. Их подразделяют на лабораторные и технические. Ла­бораторные средства измерения обладают повышенной точностью.

Образцовые средства измерений предназначены для поверки и гра­дуировки рабочих мер, измерительных приборов и преобразователей.

Эталоны предназначены для воспроизводства и хранения единиц измерения с наивысшей точностью, достижимой на данном уровне разви­тия науки и техники.

Измерения в зависимости от предъявляемых требований к точно­сти результатов подразделяют на:

- лабораторные;

- технические.

Лабораторные измерения отличаются повышенной точностью и производятся при выполнении НИР, а также при поверках измерительных приборов.

Технические измерения обладают относительно невысокой точно­стью и выполняются для контроля работы различных устройств.

По способу получения численного значения искомой величины измерения подразделяются на три вида:

- прямые измерения;

- косвенные измерения;

- совместные или совокупные измерения.

При прямых измерениях результат получают непосредственно по показаниям средств измерения. Примеры прямых измерений: измерение длины штангенциркулем, температуры - термометром, давления - мано­метром, силы - динамометром, времени - секундомером и т.д.

При косвенных измерениях результат находят на основании из­вестной зависимости между определяемой величиной и некоторыми други­ми величинами, которые, в свою очередь, находят с помощью прямых из­мерений.

При совместных и совокупных измерениях искомые величины оп­ределяют в результате решения системы уравнений. При этом числовые коэффициенты и некоторые члены уравнений, входящие в эту систему, на­ходят в результате прямых или косвенных измерений.

Отличие между совместными и совокупными измерениями заключа­ется в том, что в первом случае при определении искомой величины изме­ряют несколько других разноименных величин, а во втором - несколько других одноименных величин.

Любое измерение базируется на каких-либо физических явлениях.

Принципом измерения называется совокупность физических явле­ний, на которых основаны измерения.

Методом измерений называют совокупность приемов использования средств измерения и принципов измерений. Различают два основных мето­да измерений:

- метод непосредственной оценки;

- метод сравнения с мерой.

Метод непосредственной оценки заключается в определении иско­мой величины по отсчетному устройству измерительного прибора.

Метод сравнения с мерой состоит в том, что измеряемую величину сопоставляют со значением, воспроизводимым соответствующей мерой. Сопоставление может быть непосредственным или через другие величины, однозначно связанные с измеряемой величиной и величиной, воспроизво­димой мерой. При непосредственном сопоставлении метод сравнения еще называют методом противопоставления, а при сопоставлении через другие величины - методом опосредственного сравнения или методом замещения.

По способу проведения измерения метод сравнения подразделяют

на:

- нулевой метод;

- разностный или дифференциальный метод;

- метод совпадения.

Нулевой метод заключается в том, что эффект воздействия измеряе­мой величины полностью уравновешивается эффектом воздействия извест­ной величины. Примером нулевого метода измерения является измерение массы с помощью рычажных весов.

В разностном или дифференциальном методе полного уравнове­шивания не происходит, и разность между сравниваемыми величинами оценивается измерительным прибором. Значение измеряемой величины определяется в этом случае не только значением, воспроизводимым мерой, но и показаниями прибора.

Метод совпадения заключается в том, что уровень какого-либо сиг­нала, однозначно связанного со значением искомой величины, сопоставля­ется с уровнем такого же сигнала, но определяемого соответствующей ме­рой. По совпадению уровней этих сигналов судят о значении измеряемой величины (стробоскопический тахометр).

5.2. Метрологические характеристики средств измерений.

Метрологическими характеристиками средств измерений назы­вают характеристики, которые дают возможность судить об их пригодно­сти для измерения в определенном диапазоне с определенной точностью.

Важнейшими метрологическими характеристиками являются:

1) диапазон измерений;

2) погрешности средств измерения;

3) порог чувствительности измерительного прибора или преобразова­теля;

4) вариация измерительного прибора или преобразователя.

Внутри диапазона измерения связь между сигналами на входе X и выходе У средств измерения определяется зависимостью Y=f(X), которая называется статической характеристикой средств измерения. У показы­вающих приборов статическая характеристика зафиксирована шкалой, по­этому эту зависимость называют еще уравнением шкалы прибора.

Для измерительных преобразователей такую же роль, как и диапазон измерений, играет диапазон преобразования, а для некоторых разновидно­стей мер - номинальное значение воспроизводимых ими величин.

Для всех средств измерения устанавливаются пределы допускаемых основной и дополнительной погрешностей.

Пределом допускаемой основной погрешности называют наи­большую (без учета знака) основную погрешность средства измерений, при которой оно еще будет признано годным и допущено к эксплуатации.

Пределом допускаемой дополнительной погрешности называют наибольшую дополнительную погрешность средства измерения, при кото­рой оно еще будет признано годным и допущено к эксплуатации.

Средствам измерений присваиваются классы точности, условное обозначение которых совпадает с выраженным в процентах значением приведенной допускаемой основной погрешности. Класс точности к обозначается чис­лом из следующего ряда к = (1; 1,5; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0>10^п, где п=1; 0; -1; -2...

Следует отметить, что средства измерений, имеющие несколько диа­пазонов измерения, могут иметь несколько классов точности.

Порогом чувствительности называют наименьшее изменение значения измеряемой величины, способное вызвать малейшее доступное для регистрации изменение показания измерительного прибора или выход­ного сигнала преобразователя.

Вариацией измерительного прибора или преобразователя на­зывают наибольшую разность в показаниях прибора или наибольшую раз­ность между выходными сигналами преобразователя, соответствующими одному и тому же значению входного сигнала, но полученными в одном случае при плавном увеличении, а в другом - при плавном уменьшении значения измеряемой величины.

В исследовательской практике очень часто возникает необходимость в измерении величин, меняющихся во времени, т.е.в динамических усло­виях. Результаты таких измерений искажаются дополнительной погрешно­стью, обусловленной динамичностью условий. Эта составляющая погреш­ности называется динамической погрешностью и представляет собой разность между погрешностью средств измерений в динамических услови­ях и соответствующей погрешностью в статических условиях. Причиной появления динамической погрешности является инертность средств изме­рения. Вследствие этой инертности происходит запаздывание в показаниях при регистрации мгновенных значений измеряемой величины.

Литература.

1. Шенк Х. Теория инженерного эксперимента. - М., «Мир», 1972.

2. Гортышев Ю.Ф. Теория и техника теплофизического эксперимента. – М., «Энергоатомиздат», 1985.