Классификация средств измерений

По уровню автоматизации все СИ делятся на три группы:

− неавтоматические;

− автоматизированные, производящие в автоматическом режиме одну или часть измерительной операции;

− автоматические, производящие в автоматическом режиме измерения и все операции, связанные с обработкой их результатов, регистрацией, передачей данных или выработкой управляющих сигналов.

По уровню стандартизации средства измерений подразделяются на:

− стандартизированные, изготовленные в соответствии с требованиями государственного или отраслевого стандарта;

− нестандартизованные (уникальные), предназначенные для решения специальной измерительной задачи, в стандартизации требований к которым нет необходимости.

По отношению к измеряемой ФВ средства измерений делятся на:

− основные – это СИ той ФВ, значение которого необходимо получить в соответствии с измерительной задачей;

− вспомогательные – это СИ той ФВ, влияние которой на основное средство измерений или объект измерения необходимо учесть для получения результатов измерений требуемой точности.

Классификация средств измерений по их роли в процессе измерения и выполняемым функциям показана на рис.2.2.

2.2.1. Элементарные средства измерений

Элементарные средства измерений предназначены для реализации отдельных операций прямого измерения. К ним относятся меры, устройства равнения и измерительные преобразователи. Каждое из них, взятое по отдельности, не может осуществить операцию измерения.

Мера – это средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения ФВ одного или нескольких размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Рис. 2.2. Классификация средств измерений по их роли в процессе измерения и

выполняемым функциям

Меры подразделяются на следующие типы:

− однозначные, воспроизводящие ФВ одного размера, напр., гиря 1кг;

− многозначные, воспроизводящие ФВ разных размеров, напр., конденсатор переменной емкости.

Устройство сравнения (компаратор) – это средство измерений, дающее возможность сравнивать друг с другом меры однородных величин или же показания измерительных приборов. Во многих относительно простых СИ роль компаратора выполняют органы чувств человека, главным образом зрение, например при сравнении отклонения указателя прибора и числа делений, нанесенных на его шкале.

Измерительный преобразователь - это техническое устройст­во, построенное на определенном физическом принципе и выпол­няющее одно частное измерительное преобразование, т.е. операцию преобразования входного сигнала в выходной , информативный параметр которого с заданной степенью точности функционально связан с информативным параметром входного сигнала и с достаточной степенью точности.

Измерительный преобразователь (ИП) предназначен для выполнения одного измерительного преобразования (рис.2.3,а). Важнейшей характеристикой ИП является функция преобразования (рис.2.3,б) в виде . Отклонения реальной передаточной функции ИП от идеальной приводят к возникновению аддитивности, мультипликативной и нелинейной составляющих погрешности.

Линейный преобразователь – это ИП, имеющий линейную связь между входной и выходной величинами. Их важной разновидностью является

Рис. 2.3. Структурная схема измерительного преобразователя (а) и его функция

преобразования (б)

масштабный ИП, предназначенный для изменения размера величины или измерительного сигнала в заданное число раз. Его уравнение преобразования имеет вид , где , - однородные входная и выходная величины; - постоянный коэффициент передачи.

По виду входных и выходных величин ИП делятся на:

− аналоговые, преобразующие одну аналоговую величину в другую аналоговую величину;

− аналого-цифровые (АЦП), предназначен для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код;

− цифроаналоговые (ЦАП), предназначенные для преобразования цифрового кода в аналоговую величину.

2.2.2. Комплексные средства измерений

Комплексные средства измерений предназначены для реализации всей процедуры измерения. К ним относятся измерительные приборы и установки и измерительные системы.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне ее измерения и выработки сигнала измерительной информации, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительные системы – это совокупность функционально объединенных средств измерений, средств вычислительной техники и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации о физических величинах, свойственных данному объекту, в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления. Рассмотрим подробнее классификацию информационно-измерительных систем.

2.2.3. Информационно-измерительные системы

Информационно-измерительные системы (ИИС) — это совокупность технических средств, выполненных в блочно-модульном исполнении, объединенных общим алгоритмом функционирования, обладающих набором нормированных метрологических характеристик и предназ­наченных для автоматического (автоматизированного) по­лучения информации непосредственно от объекта, преобразования ее, передачи, измерения, обработки, хранения и представления в форме, доступной для восприятия оператором и (или) ввода в управляющую систему.

ИИС позволяет осуществлять:

− непосредственную связь с объектом исследования;

− обработку измерительной информации;

− централизованное автоматическое (автоматизирован­ное) управление;

− многоканальные измерения различных физических величин.

Эти наиболее характерные признаки в комплексе при­сущи только измерительной системе.

В зависимости от выполняемых функций ИИС классифицируются по назначению на измерительные; автоматического контроля; технической диагностики; идентификации.

Измерительные ИИС, выполняющие прямые, косвенные, совокупные измерения с соответствующей математической обработкой и выдачей численного значения физической величины (телеизмерительные ИИС, если исследуемый объект находится на очень большом расстоянии);

ИИС автоматического контроля, предназначенные для установления соответствия между состоянием (свойством) объекта контроля и заданной нормой, определяющей качественно различные области его состояния. В результате система контроля выдает информацию о состоянии объекта контроля и об отклонениях от заданной нормы.

ИИС технической диагностики, дающие информацию о неисправностях и повреждениях какой-либо системы, на основании которой решается задача отыскания места повреждений и установления причин этих повреждений и неисправностей; выявления элементов, послуживших причиной неправильного функционирования и восстановления нормальной работы объекта.

ИИС идентификации (распознавания образов) предназначены для установления соответствия между объектом и заданным образом. Так же как и норма при контроле, при опознании образ может быть задан в виде образцового изделия или в виде перечня определенных свойств и значений параметров (признаков) с указанием полей допуска.

Структурную схему ИИС можно представить в виде совокупности (рис. 2.4) связанных между собой функциональных блоков. К ним относят, первичные преобразователи (ПП), размещены в определенных точках пространства. В качестве первичных преобразователей могут использоваться резистивные, емкостные, индуктивные, термоэлектрические, интегральные, голографические, телевизионные, рентгенографические ИП.

Рис. 2.4. Обобщенная структурная схема ИИС

Аналоговыми преобразователями являются нормирующие преобразователи аналоговых сигналов (масштабные преобразователи, преобразователи различного вида модуляции сигнала). Подробно первичные преобразователи рассматриваются в лекции 3.

Функциональные блоки могут соединяться между собой через стандартные интерфейсы, технические средства которых содержат системы шин, интерфейсных узлов (ИФУ) и устройств управления (УУ). Устройство управления принимает информацию от ПП, подает команды на исполнительные устройства (ИУ) для формирования воздействия на объект исследования (ОИ) в виде электрических, механических, тепловых, оптических, акустический и других величин.

Разнообразие требований к ИИС и условий их эксплуатации привели к необходимости иметь различные ИИС по назначению, характеристикам, а следовательно, по существенно различающимся структурам, функциональным схемам, основным блокам, средствам измерения, автоматизации и алгоритму работы. Существенно расширяется применение устройств памяти, широко используются наборы функциональных устройств, объединяемых стандартными интерфейсами. Большое значение приобретают диалоговые режимы работы оператора с ИИС; измерительные, контрольные и другие работы.

Интерфейс — система сопряжения между составляющими частями (подсистемами) системы обработки данных, включающая в себя аппаратные средства, линии связи (шины), протокол (совокупность правил, устанавливающих единые принципы взаимодействия подсистем) и программное обеспечение процесса обмена информацией.

Система КАМАК (САМАС — Computer Applications for Measurement and Control) рекомендована к использованию Международной электротехнической комиссией. КАМАК — это стандартная однопроцессорная модульная система, удовлетворяющая международным требованиям, в которой измерительные и управляющие системы создают путем установки соответствующих вставных модулей в стандартные секции.

Интерфейс КАМАК предусматривает возможность построения систем с двумя и более уровнями централизации; раздельные системы шин для информационных и управляющих потоков; магистральную систему шин, работающую совместно с несколькими радиальными шинами, связывающими все блоки управления, параллельный порядок выполнения операций обмена информацией; объединение активных блоков приемник— источник; синхронный обмен информацией; работу с любой ЭВМ; унификацию конструкции; унификацию питания.

В ИФУ КАМАК унифицированы 86-контактные разъемы и соединение всех шин с контактами разъемов. К достоинствам ИФУ КАМАК можно отнести модульную структуру, приспособленную к гибкому построению и относительно несложному изменению состава системы к широкой кооперации в производстве устройств ИФУ, высокую пропускную способность, строго формализованную организацию обмена информацией. С другими стандартными интерфейсами можно ознакомиться в дополнительной литературе [7].

2.2.4. Измерительно-вычислительные комплексы

Системы, содержащие программно-управляемые цифровые вычислительные средства (микропроцессоры, малые ЭВМ), обладают определенной универсальностью и при соответствующем программном обеспечении могут выполнять функции систем различного назначения.

Измерительные системы, содержащие такие вычислительные средства, называют измерительно-вычислительными (ИВС). Универсальное ядро ИВС называют измерительно-вычислительным комплексом (ИВК).

Измерительно-вычислительный комплекс — автоматизированные средства измерения и обработки информации, предназначенные для исследования сложных объектов и представляющие собой совокупность программно-управляемых средств (измерительных и вычислительных) и средств воздействия на объект исследования.

Измерительно-вычислительные комплексы, производимые серийно, проходят государственные контрольные испытания и аттестацию.

3. Погрешности результата измерений, средств измерений. Абсолютные, относительные и приведенные погрешности.

Виды погрешностей

В практике использования измерений очень важным показателем становится их точность, которая представляет собой ту степень близости итогов измерения к некоторому действительному значению, которая используется для качественного сравнения измерительных операций. А в качестве количественной оценки, как правило, используется погрешность измерений. Причем чем погрешность меньше, тем считается выше точность.

Согласно закону теории погрешностей, если необходимо повысить точность результата (при исключенной систематической погрешности) в 2 раза, то число измерений необходимо увеличить в 4 раза; если требуется увеличить точность в 3 раза, то число измерений увеличивают в 9 раз и т. д.

Процесс оценки погрешности измерений считается одним из важнейших мероприятий в вопросе обеспечения единства измерений. Естественно, что факторов, оказывающих влияние на точность измерения, существует огромное множество. Следовательно, любая классификация погрешностей измерения достаточно условна, поскольку нередко в зависимости от условий измерительного процесса погрешности могут проявляться в различных группах. При этом согласно принципу зависимости от формы данные выражения погрешности измерения могут быть: абсолютными, относительными и приведенными.

Кроме того, по признаку зависимости от характера проявления, причин возникновения и возможностей устранения погрешности измерений могут быть составляющими При этом различают следующие составляющие погрешности: систематические и случайные.

Систематическая составляющая остается постоянной или меняется при следующих измерениях того же самого параметра.

Случайная составляющая изменяется при повторных изменениях того же самого параметра случайным образом. Обе составляющие погрешности измерения (и случайная, и систематическая) проявляются одновременно. Причем значение случайной погрешности не известно заранее, поскольку оно может возникать из-за целого ряда неуточненных факторов Данный вид погрешности нельзя исключить полностью, однако их влияние можно несколько уменьшить, обрабатывая результаты измерений.

Систематическая погрешность, и в этом ее особенность, если сравнивать ее со случайной погрешностью, которая выявляется вне зависимости от своих источников, рассматривается по составляющим в связи с источниками возникновения.

Составляющие погрешности могут также делиться на: методическую, инструментальную и субъективную. Субъективные систематические погрешности связаны с индивидуальными особенностями оператора. Такая погрешность может возникать из-за ошибок в отсчете показаний или неопытности оператора. В основном же систематические погрешности возникают из-за методической и инструментальной составляющих. Методическая составляющая погрешности определяется несовершенством метода измерения, приемами использования СИ, некорректностью расчетных формул и округления результатов. Инструментальная составляющая появляется из-за собственной погрешности СИ, определяемой классом точности, влиянием СИ на итог и разрешающей способности СИ. Есть также такое понятие, как <грубые погрешности или промахи>, которые могут появляться из-за ошибочных действий оператора, неисправности СИ или непредвиденных изменений ситуации измерений. Такие погрешности, как правило, обнаруживаются в процессе рассмотрения результатов измерений с помощью специальных критериев. Важным элементом данной классификации является профилактика погрешности, понимаемая как наиболее рациональный способ снижения погрешности, заключается в устранении влияния какого-либо фактора.

Выделяют следующие виды погрешностей:

1. абсолютная погрешность;
2. относительна погрешность;
3. приведенная погрешность;
4. основная погрешность;
5. дополнительная погрешность;
6. систематическая погрешность;
7. случайная погрешность;
8. инструментальная погрешность;
9. методическая погрешность;
10. личная погрешность;
11. статическая погрешность;
12. динамическая погрешность.

Погрешности измерений классифицируются по следующим признакам.

По способу математического выражения погрешности делятся на абсолютные погрешности и относительные погрешности.

По взаимодействию изменений во времени и входной величины погрешности делятся на статические погрешности и динамические погрешности.

По характеру появления погрешности делятся на систематические погрешности и случайные погрешности.

По характеру зависимости погрешности от влияющих величин погрешности делятся на основные и дополнительные.

По характеру зависимости погрешности от входной величины погрешности делятся на аддитивные и мультипликативные.

Абсолютная погрешность- это значение, вычисляемое как разность между значением величины, полученным в процессе измерений, и настоящим (действительным) значением данной величины.

Абсолютная погрешность вычисляется по следующей формуле:

ΔQ_n =Q_n ΔQ₀,

где AQ_n - абсолютная погрешность;

Q_n - значение некой величины, полученное в процессе измерения;

Q₀ - значение той же самой величины, принятое за базу сравнения (настоящее значение).

Абсолютная погрешность меры- это значение, вычисляемое как разность между числом, являющимся номинальным значением меры, и настоящим (действительным) значением воспроизводимой мерой величины.

Относительная погрешность- это число, отражающее степень точности измерения.

Относительная погрешность вычисляется по следующей формуле:

где ΔQ - абсолютная погрешность;

Q₀ - настоящее (действительное) значение измеряемой величины.

Относительная погрешность выражается в процентах.

-

Приведенная погрешность- это значение, вычисляемое как отношение значения абсолютной погрешности к нормирующему значению.

Нормирующее значение определяется следующим образом:

1) для средств измерений, для которых утверждено номинальное значение, это номинальное значение принимается за нормирующее значение;

2) для средств измерений, у которых нулевое значение располагается на краю шкалы измерения или вне шкалы, нормирующее значение принимается равным конечному значению из диапазона измерений. Исключением являются средства измерений с существенно неравномерной шкалой измерения;

3) для средств измерений, у которых нулевая отметка располагается внутри диапазона измерений, нормирующее значение принимается равным сумме конечных численных значений диапазона измерений;

4) для средств измерения (измерительных приборов), у которых шкала неравномерна, нормирующее значение принимается равным целой длине шкалы измерения или длине той ее части, которая соответствует диапазону измерения. Абсолютная погрешность тогда выражается в единицах длины.

Погрешность измерения включает в себя инструментальную погрешность, методическую погрешность и погрешность отсчитывания. Причем погрешность отсчитывания возникает по причине неточности определения долей деления шкалы измерения.

-

Инструментальная погрешность- это погрешность, возникающая из-за допущенных в процессе изготовления функциональных частей средств измерения ошибок.

-

Методическая погрешность- это погрешность, возникающая по следующим причинам:

1) неточность построения модели физического процесса, на котором базируется средство измерения;

2) неверное применение средств измерений.

-

Субъективная погрешность- это погрешность возникающая из-за низкой степени квалификации оператора средства измерений, а также из-за погрешности зрительных органов человека, т. е. причиной возникновения субъективной погрешности является человеческий фактор.

Погрешности по взаимодействию изменений во времени и входной величины делятся на статические и динамические погрешности.

-

Статическая погрешность- это погрешность, которая возникает в процессе измерения постоянной (не изменяющейся во времени) величины.

-

Динамическая погрешность- это погрешность, численное значение которой вычисляется как разность между погрешностью, возникающей при измерении непостоянной (переменной во времени) величины, и статической погрешностью (погрешностью значения измеряемой величины в определенный момент времени).

По характеру зависимости погрешности от влияющих величин погрешности делятся на основные и дополнительные.

-

Основная погрешность- это погрешность, полученная в нормальных условиях эксплуатации средства измерений (при нормальных значениях влияющих величин).

-

Дополнительная погрешность- это погрешность, которая возникает в условиях несоответствия значений влияющих величин их нормальным значениям, или если влияющая величина переходит границы области нормальных значений.

-

Нормальные условия- это условия, в которых все значения влияющих величин являются нормальными либо не выходят за границы области нормальных значений.

-

Рабочие условия- это условия, в которых изменение влияющих величин имеет более широкий диапазон (значения влияющих не выходят за границы рабочей области значений).

Рабочая область значений влияющей величины- это область значений, в которой проводится нормирование значений дополнительной погрешности.

По характеру зависимости погрешности от входной величины погрешности делятся на аддитивные и мультипликативные.

-

Аддитивная погрешность- это погрешность, возникающая по причине суммирования численных значений и не зависящая от значения измеряемой величины, взятого по модулю (абсолютного).

-

Мультипликативная погрешность- это погрешность, изменяющаяся вместе с изменением значений величины, подвергающейся измерениям.

Надо заметить, что значение абсолютной аддитивной погрешности не связано со значением измеряемой величины и чувствительностью средства измерений. Абсолютные аддитивные погрешности неизменны на всем диапазоне измерений.

Значение абсолютной аддитивной погрешности определяет минимальное значение величины, которое может быть измерено средством измерений.

Значения мультипликативных погрешностей изменяются пропорционально изменениям значений измеряемой величины. Значения мультипликативных погрешностей также пропорциональны чувствительности средства измерений Мультипликативная погрешность возникает из-за воздействия влияющих величин на параметрические характеристики элементов прибора.

Погрешности, которые могут возникнуть в процессе измерений, классифицируют по характеру появления. Выделяют:

1) систематические погрешности;

2) случайные погрешности.

В процессе измерения могут также появиться грубые погрешности и промахи.

-

Систематическая погрешность- это составная часть всей погрешности результата измерения, не изменяющаяся или изменяющаяся закономерно при многократных измерениях одной и той же величины. Обычно систематическую погрешность пытаются исключить возможными способами (например, применением методов измерения, снижающих вероятность ее возникновения), если же систематическую погрешность невозможно исключить, то ее просчитывают до начала измерений и в результат измерения вносятся соответствующие поправки. В процессе нормирования систематической погрешности определяются границы ее допустимых значений. Систематическая погрешность определяет правильность измерений средств измерения (метрологическое свойство).

Систематические погрешности в ряде случаев можно определить экспериментальным путем. Результат измерений тогда можно уточнить посредством введения поправки.

Способы исключения систематических погрешностей делятся на четыре вида:

1) ликвидация причин и источников погрешностей до начала проведения измерений;

2) устранение погрешностей в процессе уже начатого измерения способами замещения, компенсации погрешностей по знаку, противопоставлениям, симметричных наблюдений;

3) корректировка результатов измерения посредством внесения поправки (устранение погрешности путем вычислений);

4) определение пределов систематической погрешности в случае, если ее нельзя устранить.

Ликвидация причин и источников погрешностей до начала проведения измерений. Данный способ является самым оптимальным вариантом, так как его использование упрощает дальнейший ход измерений (нет необходимости исключать погрешности в процессе уже начатого измерения или вносить поправки в полученный результат).

Для устранения систематических погрешностей в процессе уже начатого измерения применяются различные способы

-

Способ введения поправокбазируется на знании систематической погрешности и действующих закономерностей ее изменения. При использовании данного способа в результат измерения, полученный с систематическими погрешностями, вносят поправки, по величине равные этим погрешностям, но обратные по знаку.

Способ замещения- состоит в том, что измеряемая величина заменяется мерой, помещенной в те же самые условия, в которых находился объект измерения. Способ замещения применяется при измерении следующих электрических параметров: сопротивления, емкости и индуктивности.

Способ компенсации погрешности по знаку- состоит в том, что измерения выполняются два раза таким образом, чтобы погрешность, неизвестная по величине, включалась в результаты измерений с противоположным знаком.

Способ противопоставления- похож на способ компенсации по знаку. Данный способ состоит в том, что измерения выполняют два раза таким образом, чтобы источник погрешности при первом измерении противоположным образом действовал на результат второго измерения.

Случайная погрешность- это составная часть погрешности результата измерения, изменяющаяся случайно, незакономерно при проведении повторных измерений одной и той же величины. Появление случайной погрешности нельзя предвидеть и предугадать. Случайную погрешность невозможно полностью устранить, она всегда в некоторой степени искажает конечные результаты измерений. Но можно сделать результат измерения более точным за счет проведения повторных измерений. Причиной случайной погрешности может стать, например, случайное изменение внешних факторов, воздействующих на процесс измерения. Случайная погрешность при проведении многократных измерений с достаточно большой степенью точности приводит к рассеянию результатов.

Промахи и грубые погрешности- это погрешности, намного превышающие предполагаемые в данных условиях проведения измерений систематические и случайные погрешности. Промахи и грубые погрешности могут появляться из-за грубых ошибок в процессе проведения измерения, технической неисправности средства измерения, неожиданного изменения внешних условий.

4. Представление результатов измерений. Правила округления результатов и погрешностей измерений.