Понятие измерения. Виды средств измерения

В общем случае измерением называется совокупность операций

по применению технического средства, хранящего единицу физиче-

ской величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном

или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение

значения этой величины.

Физическая величина (ФВ) — одно из свойств физического объ-

екта (физической системы, явления или процесса), общее в каче-

ственном отношении для многих физических объектов, но в количе-

ственном отношении индивидуальное для каждого из них. В про-

цессе измерения получают значение ФВ X — выражение ее размера

в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Обычно оно вы-

ражается в виде формулы

Х={х}[х], (1.1)

где {х} — число ФВ; [х] — единица ФВ.

Число ФВ представляет собой отвлеченное число, входящее в ее

значение, а единица ФВ — ФВ фиксированного размера, которой

условно присвоено числовое значение, равное 1.

Значение ФВ может быть истинным, действительным и результа-

том. Истинное значение ФВ — это значение, которое идеальным

образом характеризует в качественном и количественном отношении

измеряемую ФВ. Это абсолютная истина, достичь которую невоз-

можно. Для измеряемого свойства это значение является постоянной

величиной. На практике вместо истинного значения ФВ пользуются

ее действительным значением. Действительное значение ФВ — это

значение, полученное экспериментальным путем и настолько при-

ближающееся к истинному значению, что в поставленной измери-

тельной задаче может быть использовано вместо него. Благодаря

постоянному развитию измерительной техники оно является пере-

менной величиной. Результат измерения ФВ — это значение, по-

лученное путем ее измерения (х).

В процессе измерения используется средство измерения — тех-

ническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нор-

мированные метрологические характеристики (MX), воспроизводя-

щее и (или) хранящее единицу ФВ, размер которой принимают не-

изменным (в пределах установленной погрешности) в течение

известного интервала времени.

По виду СИ подразделяются на измерительные преобразователи,

измерительные приборы, измерительные устройства, измерительные

установки, измерительные системы и меры.

Измерительный преобразователь (ИП) — это техническое сред-

ство с нормированными MX, служащее для преобразования изме-

ряемой величины в другую величину, или измерительный сигнал,

удобный для обработки, хранения, дальнейшего преобразования,

индикации или передачи. Информация с выхода измерительного

преобразователя недоступна для восприятия наблюдателем. По по-

ложению ИП в измерительной цепи — совокупность элементов СИ,

образующих непрерывный путь прохождения измерительного сигна-

ла, который содержит количественную информацию об измеряемой

ФВ, от входа до выхода — и по функции преобразования различают

следующие виды ИП.

Первичный ИП — измерительный преобразователь, на который

непосредственно воздействует измеряемая ФВ, т.е. первый преоб-

разователь в измерительной цепи. Конструктивно обособленный

первичный ИП, от которого поступают измерительные сигналы (он

«дает» информацию), называется датчиком, а часть первичного ИП,

непосредственно воспринимающая измеряемую ФВ, — чувстви-

тельным элементом.

Передающий ИП — измерительный преобразователь, предназна-

ченный для дистанционной передачи сигнала измерительной инфор-

мации.

Масштабирующий ИП предназначен для изменения размера из-

меряемой ФВ в заданное число раз. Функциональный преобразова-

тель используется для изменения выходной величины в определенной

функции от входной, например выходная величина является лога-

рифмом значения входной величины.

Измерительный прибор — это СИ, предназначенное для получе-

ния значений измеряемой ФВ в установленном диапазоне и ее ин-

дикации в форме, доступной для непосредственного восприятия

наблюдателем. Показывающий ИП допускает только отсчет показа-

ний, регистрирующий обеспечивает запись показаний на диаграмму

или печать значений в графической или цифровой форме. Сигнали-

зирующий ИП подает световой или звуковой сигнал при достижении

измеряемой величины определенного значения, а интегрирующий

суммирует показания за определенный промежуток времени. У анало-

гового ИП показания являются непрерывной функцией измеряемой

величины, а у цифрового выходной сигнал дискретный.

Измерительная установка — совокупность функционально

объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преоб-

разователей и других устройств, предназначенных для измерений

одной или нескольких ФВ и расположенных в одном месте.

Измерительная система — совокупность функционально объеди-

ненных мер, измерительных приборов, измерительных преобразова-

телей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных

точках контролируемого объекта с целью измерений одной или не-

скольких ФВ, свойственных этому объекту, и выработки измеритель-

ных сигналов в разных целях.

Мера — СИ, предназначенное для воспроизведения и (или) хра-

нения ФВ одного или нескольких заданных размеров, значения ко-

торых выражены в установленных единицах и известны с необходи-

мой точностью.

Информационно-измерительная система (ИИС) — совокупность

функционально объединенных измерительных, вычислительных и

других вспомогательных технических средств для получения измери-

тельной информации, ее преобразования, обработки с целью пред-

ставления потребителю (в том числе ввода в АСУ) в требуемом виде

либо автоматического осуществления логических функций измере-

ния, контроля, диагностирования, идентификации (распознавание

образов).

Виды и методы измерений

Существует несколько видов измерений. При их классификации

исходят из характера зависимости измеряемой величины от времени,

вида уравнения измерений, условий, определяющих точность резуль-

тата измерений, и способа выражения этих результатов.

Статические измерения — это измерения, при которых изме-

ряемая ФВ остается постоянной во времени в процессе измерения;

динамические измерения — измерения, при которых измеряемая ФВ

изменяется в процессе измерения. Прямые измерения — измерения,

при которых искомое значение ФВ находят непосредственно из

опытных данных: х = {х} [х]. Примером прямых измерений может

служить измерение температуры стеклянным термометром. При

косвенных измерениях искомое значение (у) определяется по резуль-

татам прямых измерений (х) величин, связанных с искомой извест-

ной функциональной зависимостью:

Примером косвенного измерения является измерение сопротив-

ления резистора методом амперметра—вольтметра, т. е. по результа-

там прямых измерений протекающего по резистору тока и напряже-

ния на нем: R = U/1. При совокупных (совместных) измерениях

искомое значение (уу) определяется по результатам прямых измерений

одноименных (разноименных) значений х, путем решения системы

уравнений

где i = 1 ...п, j = 1 ...т, п > т; х, — результаты прямых измерений;

yj — искомые значения.

Если х, — одноименные ФВ, это совокупный вид измерения, а

если разноименные, то совместный.

Наиболее распространенными являются прямые измерения, слу-

жащие основой для более сложных видов измерений. Они могут

осуществляться двумя методами: методом непосредственной оценки

и методом сравнения с мерой. Под методом измерения в общем

случае понимается совокупность использования принципов и средств

измерений.

При методе непосредственной оценки значение ФВ определяет-

ся прямо (непосредственно) по отсчетному устройству СИ (например,

измерение давления обычным манометром).

Метод сравнения с мерой подразумевает сравнение измеряемой

величины с величиной, воспроизводимой мерой. В зависимости от

используемой меры (постоянной или регулируемой) он подразделя-

ется на дифференциальный и нулевой методы.

Дифференциальный (разностный) метод предусматривает из-

мерение разности между измеряемой величиной и мерой (рис. 1.1, а).

Элемент сравнения (ЭС) определяет разность между измеряемой

величиной и мерой: ± а = х — хм; х = хм ± а;хи = const. Результат из-

мерения х отсчитывается по значению меры хм и разности а по от-

счетному устройству. Точность этого метода тем выше, чем меньше

разность а. При нулевом методе измеряемая величина уравновеши-

вается известной, воспроизводимой мерой (рис. 1.1, б). Мера в этом

случае является регулируемой (хм = var) и уравновешивает измеряемую

величину х, т.е. нуль-индикатор (НИ), фиксирует разность ± а =

= х — хм =0; отсчетное устройство (ОУ) представляет это значение

меры как результат измерения: х = хм.

Примером дифференциального и нулевого методов сравнения

является взвешивание неизвестного груза соответственно на разно-

плечих и равноплечих весах.

В измерительных устройствах, используемых в составе систем

автоматизации, уравновешивание осуществляется автоматически

(рис. 1.1, в). В этом случае функцию НИ выполняет ЭС, а функции

оператора — исполнительный механизм (ИМ).

Нулевые методы являются наиболее точными, так как в этих ме-

тодах измеряемая величина полностью уравновешивается или заме-

щается значением меры данной величины, поэтому их точность за-

висит от точности самих мер.