Принципы, методы и методики измерений

Процесс измерения, способы проведения его и средства измерений, при помощи которых происходит измерение, зависят от измеряемой физической величины, существующих методов и условий измерений. При выполнении измерений технологических параметров применяются различные методы.

Принцип измерений — физическое явление или эффект, положенное в основу измерений.

Примеры: использование эффекта Доплера для измерения скорости, использование эффекта Джозефсона для измерения электрического напряжения, использование термоэлектрических явлений для измерения температуры.

Термоэлектрические явления — совокупность физических явлений, обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в твердых проводниках. К термоэлектрическим явлениям относятся эффекты Зеебека, Пельтье, Томсона.

Метод измерений — прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений.

Классификация методов измерения технологических параметров разнообразна, поэтому выделим лишь некоторые отличительные признаки методов.

При контактном методе измерений чувствительный элемент средства измерений приводится в контакт с объектом измерений.

Например, измерение температуры тела термометром расширения.

Для бесконтактного метода измерений характерно отсутствие контакта чувствительного элемента средства измерений с объектом измерений.

Например, измерение температуры в стекловаренной печи пирометром.

Метод непосредственной оценки — метод измерений, в котором значение измеряемой величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений, отградуированному в единицах измеряемой величины.

Например, измерение температуры термометром, отградуированным в градусах Цельсия; измерение давления манометром, отградуированным в паскалях.

Метод сравнения с мерой — метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Например, измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями (мерами массы с известным значением) или измерение ТЭДС термопары на компенсаторе сравнением с известной ЭДС нормального элемента.

Нулевой метод измерений — метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля.

Примеры: измерения электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием, измерение массы на равноплечих и неравноплечих весах (сравнение на рычаге силовых эффектов действия масс), измерение давления грузопоршневыми манометрами (сравнение на поршне силовых эффектов измеряемого давления и мер массы), измерение напряжения постоянного тока электрическим компенсатором (сравнение на сопротивлении падений напряжения от измеряемой ЭДС и ЭДС нормального элемента или другого образцового источника), измерение температуры радиационным пирометром (сравнение наблюдателем яркостей свечения объекта измерения и нити накаливания пирометрической лампы током образцового элемента).

Сравнение осуществляется с помощью компенсационных или мостовых схем (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).

При сравнении (компенсации) воспроизводимая мера используется для компенсации измеряемой величины во всем диапазоне изменений, а также для показания значения. Поэтому для осуществления этого метода необходима изменяющаяся мера высокого качества.

Структурная схема средства измерений сравнения представлена на рис. 5.2, б. Сравнение осуществляется в устройстве сравнения, в котором обычно одна величина вычитается из другой. Используя выходной сигнал устройства сравнения, с помощью преобразователя П можно управлять мерой. Поскольку в средствах измерений, основанных на методе сравнения, измеряемая величина уравновешивается (компенсируется) величиной, воспроизводимой мерой, их также называют средствами измерений с уравновешивающим (компенсационным) преобразованием.

Для сравнения пассивных величин (электрических, гидравлических, пневматических и других сопротивлений) применяются мостовые цепи типа электрических уравновешенных или неуравновешенных мостов.

Примечание

Пассивные величины могут быть вначале преобразованы в активные или наоборот и сравниваться соответственно в компенсационных или мостовых цепях.

Примеры средств измерений сравнения приведены на рис. 5. Особенности сравнения лучше всего показать, разобрав схему потенциометра (рис. 5, б). Измеряемое напряжение компенсируется (уравнивается) падением напряжения, создаваемым на известном сопротивлении рабочим током от стабилизированного источника питания (ИПС). Нуль-гальванометр (НГ) включается в цепь сравниваемых напряжений. Когда напряжения скомпенсированы, ток в гальванометре, а следовательно, в цепи измеряемого напряжения, отсутствует. На результаты измерений компенсационным методом не влияет ни сопротивление соединительных проводов, ни гальванометра.

В соответствии с компенсационным методом измерений измеряемая величина х компенсируется величиной, воспроизводимой мерой. Разность этих величин поддерживается малой независимо от размера измеряемой величины. Точность измерения определяется точностью меры и порогом чувствительности средства сравнения (нуль-прибора, НП). Статическая характеристика НП может быть нелинейной: при большой разности между мерой и измеряемой величиной чувствительность НП мала, а в области нуля — чувствительность очень высока, а порог чувствительности мал. Благодаря этому, достигается высокая точность измерения. В уравновешенном состоянии НП не нагружен, благодаря чему исключается обратное воздействие на процесс.

Рис. 5.5. Примеры измерительных устройств, основанных на методе сравнения с мерой: о — рычажные весы; б — потенциометр

Метод измерений замещением — метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины.

Например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов (метод Борда).

Метод измерений дополнением — метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению.

Дифференциальный метод измерений — метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между двумя этими величинами.

Методика выполнения измерений — установленная совокупность операций и правил при измерении, выполнение которых обеспечивает получение результатов с гарантированной точностью в соответствии с принятым методом.

Условия измерений

Нормальные условия измерений — условия измерения, характеризуемые совокупностью значений или областей значений влияющих величин, при которых изменением результата измерений пренебрегают вследствие малости.

Примечание

Нормальные условия измерений устанавливаются в нормативных документах на средства измерений конкретного типа или по их поверке (калибровке).

Нормальное значение влияющей величины — значение влияющей величины, установленное в качестве номинального.

Примечание

При измерении многих величин нормируется нормальное значение температуры 20 °С или 293 К. На нормальное значение, к которому приводятся результаты многих измерений, выполненные в разных условиях, обычно рассчитана основная погрешность средств измерений.

Нормальная область значений влияющей величины — область значений влияющей величины, в пределах которой изменением результата измерений под ее воздействием можно пренебречь в соответствии с установленными нормами точности.

Нормальная область значений температуры при поверке нормальных элементов класса точности 0,005 в термостате не должна изменяться более чем на ±0,05 °С от установленной температуры 20 °С, т. е. быть в диапазоне от 19,95 °С до 20,05 . В качестве нормальных значений или нормальной области значений влияющих величин принимают, например, температуру окружающего воздуха (20 ± 5) или (20 ± 2) °С; барометрическое давление (760 ± 25) мм рт. ст. или (101,325 ± 3,3) кПа; напряжение питания 220 В с частотой 50 Гц и т. д.

Рабочая область значений влияющей величины — область значений влияющей величины, в пределах которой нормируют дополнительную погрешность или изменение показаний средства измерений.

Рабочие условия измерений — условия измерений, при которых значения влияющих величин находятся в пределах рабочих областей.

Для амперметра нормируют изменение показаний, вызванное отклонением частоты переменного тока от 50 Гц (принимают за нормальное значение частоты).

Предельные условия измерений — условия измерения, характеризуемые экстремальными значениями измеряемой и влияющей величин, которые средство измерений может выдержать без разрушений и ухудшения его метрологических характеристик.