Методика выполнения измерений
Основная потеря точности при измерениях происходит не за счёт возможной метрологической неисправности применяемых средств измере-ний, а в первую очередь за счёт несовершенства методов и методик вы-полнения измерений.
В целом точность измерения зависит от: точности применяемого средства измерения; точности метода измерения; влияния внешних фак-торов. Например, при измерении массы материала, движущегося по транспортёру, точность базового устройства обычно в 10 - 20 раз выше общей точности взвешивания массы; при поверке ртутных термометров следует учитывать точность "считывания" показаний.
Под методикой измерения понимают совокупность методов, средств, процедур, условий подготовки и проведения измерений, а также правил обработки экспериментальных данных при выполнении конкретных измерений.
По Закону РФ “Об обеспечении единства измерений” измерения должны осуществляться в соответствии с аттестованными в установленном порядке методиками.
Разработка методик выполнения измерений должна включать:
анализ технических требований к точности измерений, изложенных в стандарте, технических условий или технических заданий;
определение конкретных условий проведения измерений;
выбор испытательного и вспомогательного оборудования, а также средств измерений;
разработку при необходимости нестандартных средств измерений;
исследование влияния условий проведения измерений и подготовки испытуемых объектов к измерениям;
определение порядка подготовки средств измерений к работе, после-довательности и количества измерений;
разработку или выбор алгоритма обработки экспериментальных дан-ных и правил оформления результатов измерения.
Нормативно-техническими документами (НТД), регламентирующими методику выполнения измерений являются:
1. Государственные стандарты или методические указания Госстандарта России по методикам выполнения измерений. Стандарт разрабатывается в том случае, если применяемые средства измерений внесены в Государственный реестр средств измерений.
2. Отраслевые методики выполнения измерений, используемые в од-ной отрасли.
3. Стандарты предприятий на методики выполнения измерений, ис-пользуемые на одном предприятии.
В НТД на методики выполнения измерений предусматриваются: нормы точности измерений; специфика измеряемой величины (диапазон, наименование продукции и т.д.); максимальная автоматизация измерений и обработки данных.
Методики выполнения измерений перед их вводом в действие должны быть аттестованы или стандартизованы. Аттестация включает в себя: разработку и утверждение программы аттестации; выполнение исследований в соответствии с программой; составление и оформление отчёта об аттестации; оформление аттестата методики выполнения изме-рений.
При аттестации должна быть проверена правильность учёта всех факторов, влияющих на точность измерений, установлена достоверность их результатов. Аттестацию методик выполнения измерений проводят государственные и ведомственные метрологические службы. При этом государственные метрологические службы проводят аттестацию методик особо точных, ответственных измерений, а также измерений, проводимых в организациях Госстандарта России.
Стандартизация методик применяется для измерений, широко при-меняемых на предприятиях.
Методики выполнения измерений периодически пересматриваются с целью их усовершенствования.
Средства измерений
Средство измерения - это техническое устройство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства.
Виды средств измерений
Технические устройства, предназначенные для обнаружения (инди-кации) физических свойств, называются индикаторами (стрелка компаса, лакмусовая бумага). С помощью индикаторов устанавливается только на-личие измеряемой физической величины интересующего нас свойства материи.
По метрологическому назначению средства измерений делятся на образцовые и рабочие.
Образцовые предназначены для поверки по ним других средств измерений как рабочих, так и образцовых менее высокой точности.
Рабочие средства измерений предназначены для измерения размеров величин, необходимых в разнообразной деятельности человека.
Сущность разделения средств измерений на образцовые и рабочие состоит не в конструкции и не в точности, а в их назначении.
К средствам измерения относятся:
1. Меры, предназначеные для воспроизведения физической величины заданного размера. Различают однозначные и многозначные меры, а также наборы мер (гири, кварцевые генераторы и т. п.). Меры, воспроизводящие физические величины одного размера, называются однозначными. Многозначные меры могут воспроизводить ряд размеров физической величины, часто даже непрерывно заполняющих некоторый промежуток между определенными границами. Наиболее распространенными многозначными мерами являются миллиметровая линейка, вариометр и конденсатор переменной емкости.
В наборах и магазинах отдельные меры могут объединяться в различных сочетаниях для воспроизведения некоторых промежуточных или суммарных, но обязательно дискретных размеров величин. В магазинах объединены в одно механическое целое, снабженное специальными переключателями, которые связаны с отсчетными устройствами. В противоположность этому набор состоит обычно из нескольких мер, которые могут выполнять свои функции как в отдельности, так и в различных сочетаниях друг с другом (набор концевых мер длины, набор гирь, набор мер добротности и индуктивности и т. д.).
Сравнение с мерой выполняют с помощью специальных технических средств - компараторов (равноплечие весы, измерительный мост и т. п.).
К однозначным мерам относятся также образцы и образцовые вещества. Стандартные образцы состава и свойств веществ и материалов представляют собой специально оформленные тела или пробы вещества определенного и строго регламентированного содержания, одно из свойств которых при определенных условиях является величиной с известным значением. К ним относятся образцы твердости, шероховатости, белой поверхности, а также стандартные образцы, используемые при поверке приборов для определения механических свойств материалов. Образцовые вещества играют большую роль в создании реперных точек при осуществлении шкал. Например, чистый цинк служит для воспроизведения температуры 419,58 °С, золото - 1064,43 °С.
В зависимости от погрешности аттестации меры подразделяются на разряды (меры 1, 2-го и т. д. разрядов), а погрешность мер является основой их деления на классы. Меры, которым присвоен тот или иной разряд, применяются для поверки измерительных средств и называются образцовыми.
2. Измерительные преобразователи - это средства измерений, перерабатывающие измерительную информацию в форму, удобную для дальнейшего преобразования, передачи, хранения и обработки, но, как правило, не доступную для непосредственного восприятия наблюдателем (термопары, измерительные усилители и др.).
Преобразуемая величина называется входной, а результат преобразования - выходной величиной. Соотношение между ними задается функцией преобразования (статической характеристикой). Если в результате преобразования физическая природа величины не изменяется, а функция преобразования является линейной, то преобразователь называется масштабным, или усилителем, (усилители напряжения, измерительные микроскопы, электронные усилители). Слово “усилитель” обычно употребляется с определением, которое приписывается ему в зависимости от рода преобразуемой величины (усилитель напряжения, гидравлический усилитель) или от вида единичных преобразований, происходящих в нем (ламповый усилитель, струйный усилитель). В тех случаях, когда в преобразователе входная величина превращается в другую по физической природе величину, он получает название по видам этих величин (электромеханический, пневмоемкостный и так далее).
По месту, занимаемому в приборе, преобразователи подразделяются на (рис. 3.1): первичные, к которым подводится непосредственно измеряемая физическая величина; передающие, на выходе которых образуются величины, удобные для их регистрации и передачи на расстояние; промежуточные, занимающие в измерительной цепи место после первичных.
 | | |
к отсчетному
Устройству
Рис.3.1. Преобразование измерительной информации:
1 - чувствительный элемент; 2 - первичный преобразо-ватель; 3 - промежуточные преобразователи; 4 – передающий преобразователь
3. Измерительные приборы относятся к средствам измерений, предназначенным для получения измерительной информации о величине, подлежащей измерению, в форме, удобной для восприятия наблюдателем.
Наибольшее распространение получили приборы прямого действия, при использовании которых измеряемая величина подвергается ряду последовательных преобразований в одном направлении, т. е. без возвращения к исходной величине. К приборам прямого действия относится большинство манометров, термометров, амперметров, вольтметров и т. д.
Значительно большими точностными возможностями обладают приборы сравнения, предназначенные для сравнения измеряемых величин с величинами, значения которых известны. Сравнение осуществляется с помощью компенсационных или мостовых цепей. Компенсационные цепи применяются для сравнения активных величин, т. е. несущих в себе некоторый запас энергии (сил, давлений и моментов сил, электрических напряжений и токов, яркости источников излучения и т. д.). Сравнение проводится путем встречного включения этих величин в единый контур и наблюдения их разностного эффекта. По этому принципу работают такие приборы, как равноплечие и неравноплечие весы (сравнение на рычаге силовых эффектов действия масс), грузопоршневые и грузопружинные манометрические в вакуумметрические приборы (сравнение на поршне силовых эффектов измеряемого давления и мер массы) и др.
Для сравнения пассивных величин (электрические, гидравлические, пневматические и другие сопротивления) применяются мостовые цепи типа электрических уравновешенных или неуравновешенных мостов. Конечно, пассивные величины могут быть вначале преобразованы в активные или наоборот и сравниваться соответственно в компенсационных или мостовых цепях.
По способу отсчета значений измеряемых величин приборы подразделяются на показывающие, в том числе аналоговые и цифровые, и на регистрирующие.
Наибольшее распространение получили аналоговые приборы, отсчетные устройства которых состоят из двух элементов - шкалы и указателя, причем один из них связан с подвижной системой прибора, а другой - с корпусом. В цифровых приборах отсчет осуществляется с помощью механических, электронных или других цифровых отсчетных устройств. Цифровые приборы прямого действия применяются наиболее часто в тех случаях, когда измеряемая величина предварительно легко преобразуется в угол поворота некоторого вала (лопастные счетчики) или в последовательность импульсов (регистрация радиоактивных излучений).
По способу записи измеряемой величины регистрирующие приборы делятся на самопишущие и печатающие. В самопишущих приборах (например, барограф или шлейфовый осциллограф) запись показаний представляет собой график или диаграмму. В печатающих приборах информация о значении измеряемой величины выдается в числовой форме на бумажной ленте.
Автоматические приборы сравнения выпускаются чаще всего в виде комбинированных приборов, в которых шкальный или цифровой отсчет сочетается с записью на диаграмме или с печатанием результатов измерений.
4. Вспомогательные средства измерений.К этой группе относятся средства измерений величин, влияющих на метрологические свойства другого средства измерений при его применении или поверке. Показания вспомогательных средств измерений используются для вычисления поправок к результатам измерений (например, термометров для измерения температуры окружающей среды при работе с грузопоршневыми манометрами) или для контроля за поддержанием значений влияющих величин в заданных пределах (например, психрометров для измерения влажности при точных интерференционных измерениях длин).
5. Измерительные установки. Для измерения какой-либо величины или одновременно нескольких величин иногда бывает недостаточно одного измерительного прибора. В этих случаях создают целые комплексы расположенных в одном месте и функционально объединенных друг с другом средств измерений (мер, преобразователей, измерительных приборов и вспомогательных средств), предназначенных для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем.
6. Измерительные системы - это средства и устройства, территори-ально разобщённые и соединённые каналами связи. Информация может быть представлена в форме, удобной как для непосредственного восприятия, так и для автоматической обработки, передачи и использования в автоматизированных системах управления.
3.4.2. Измерительные сигналы[5]
В рамках единой измерительной системы информация о значении физических величин передается от одного средства измерения к другому с помощью сигналов.
Наиболее часто в качестве сигналов используются:
сигналы постоянного уровня (постоянные электрические токи и напряжения, давление сжатого воздуха, световой поток);
синусоидальные сигналы (переменный электрический ток или напряжение);
последовательность прямоугольных импульсов (электрических или световых).
Сигнал характеризуется рядом параметров. В первом случае единственным параметром сигнала является его уровень. Синусоидальный сигнал характеризуется своей амплитудой, фазой и частотой, последовательность прямоугольных импульсов - амплитудой, фазой, частотой, шириной импульсов или комбинацией импульсов различного уровня в течение определенного промежутка времени.
Для того, чтобы исходный сигнал стал измерительным, необходимо один из его параметров связать функциональной зависимостью с измеряемой физической величиной. Параметр сигнала, выбранный в качестве такового, называется информативным, а все остальные параметры - неинформативными. Процесс преобразования исходного сигнала в измерительный, т. е. преобразование одного из параметров исходного сигнала, генерируемого некоторым источником, в информативный параметр, называется модуляцией. В зависимости от вида модуляции измерительные сигналы можно классифицировать следующим образом.
Сигналы постоянного уровня характеризуются лишь одним параметром и поэтому могут быть модулированы только по уровню. Уровень сигнала является при этом мерой измеряемой величины.
Синусоидальные сигналы могут быть модулированы по амплитуде, фазе или частоте. В зависимости от того, который из этих параметров сигнала является мерой измеряемой величины, говорят об амплитудно-модулированных, фазо-модулированных или частотно-модулированных сигналах.
Последовательность прямоугольных импульсов может быть модулирована по амплитуде (амплитудно-импульсно модулированные сигналы), по частоте (частотно-импульсно модулированные сигналы), по фазе (фазоимпульсно модулированные сигналы) или по ширине импульсов (широтно-импульсно модулированные сигналы). Сигнал, в котором различным значениям измеряемой величины поставлена в соответствие определенная комбинация импульсов различного уровня, называется кодо-импульсным, или цифровым.
В зависимости от характера изменения информативного параметра сигнала по уровню и во времени измерительные сигналы подразделяются на:
непрерывные по уровню, или аналоговые, если их информативный параметр может принимать любые значения в заданном диапазоне;
дискретные, или квантованные по уровню, если их информативный параметр может принимать лишь некоторое ограниченное число значений в пределах заданного интервала;
непрерывные во времени, если они существуют в течение всего времени измерения и в любой момент может быть выведен на регистрацию;
дискретизированные, или квантованные по времени, если они несут информацию о значении измеряемой физической величины лишь в течение некоторых промежутков времени. К этой группе относятся, например, все виды импульсно-модулированных сигналов.
При анализе измерительных сигналов их принято описывать либо функциями времени, либо с помощью спектральных представлений, основанных на преобразованиях Фурье и Лапласа.