Классификация измерений

Измерение предполагает сравнение исследуемой физической величины с однородной физической величиной, значение которой принято за единицу, и представление результата этого сравнения в виде числа. Измерение — многооперационная процедура, и для его выполнения необходимо осуществить основные измерительные операции: воспроизведение, сравнение, измерительное преобразование, масштабирование.

Воспроизведение величины заданного размера — операция создания выходного сигнала с заданным размером информативного параметра, т.е. с величиной напряжения, тока, сопротивления, индуктивности и др. Эта операция реализуется средством измерений — мерой.

Сравнение — определение соотношения между однородными величинами, осуществляемое путем их вычитания. Эта операция реализуется устройством сравнения (компаратором).

Измерительное преобразование — операция преобразования входного сигнала в выходной, реализуемая измерительным преобразователем. Выходные сигналы измерительных преобразователей и их информативные параметры государственной системой приборов и средств автоматизации унифицированы (ГСП).

Масштабирование — это создание выходного сигнала, однородного с входным, размер информативного параметра которого пропорционален в AT раз размеру информативного параметра входного сигнала. Масштабное преобразование реализуется в устройстве, которое называется масштабным преобразователем.

Попробуйте, не заглядывая в какие-либо справочные издания, самостоятельно объяснить термин "измерение". Предположим, вам в условиях сельской местности необходимо оценить расстояние до некоторого объекта в сельской (скажем для того чтобы заказать кабель с целью телефонизации). При этом как некстати у вас нет ни линейки ни рулетки. Вы скажете, что это очень просто, можно измерить расстояние шагами, можно взять и использовать какое-нибудь подручное средство, например лопату и отложить количество ее длин. Сведения о том сколько шагов до объекта или сколько лопат уместилось в измеряемую вами длину можно записать и передать записку своему товарищу, для того чтобы он купил вам кабель, длины которого хватило бы чтобы, например телефонизировать ваш дом. В этом хорошем примере налицо все важные элементы того курса который вы сейчас изучаете. То есть:

1) процесс выбора инструментального средства измерения (СИ);

2) выбор метода измерения - сравнение физической величины (длины) с выбранной мерой;

3) получение результата измерения (РИ) опытным путем;

4) отображение и сохранение результата измерения (запись на листочке бумаги);

5) выбор канала передачи;

6) ожидание подтверждения об успешной передаче (получение кабеля).

В принципе все просто. В этом и заключаются по существу основные этапы при получении и передаче измерительной информации. Теперь, какие "подводные камни" возможны у этого подхода. Ну, во-первых, если вы с вашим товарищем существенно отличаетесь по росту. Или вы использовали стандартную лопату а у него в багажнике его авто оказалась саперная (укороченная). В этом случае длины кабеля, который он вам пришлет, с оказией не хватит, чтобы обеспечить вам долгожданную связь с внешним миром. Конечно ситуация может быть и полностью противоположной в этом случае вы переплатите за излишек кабеля. Отсюда следует простой вывод, что помимо обеспечения процесса измерения, необходимо обеспечить его однозначное воспроизведение и единство. Эти задачи решает специальная наука - метрология, с элементами которой нам также придется активно взаимодействовать.

Теперь, когда на этом простом примере вы получили в первом приближении некоторые представления о задачах измерительной техники можно перейти к более строгим и научно выверенным понятиям и определениям.

Основные метрологические термины определены ГОСТ 16263-70.

Измерением называется нахождение значений физических величин опытным путем с помощью специальных технических средств.

Значение физической величины - это количественная характеристика свойств физического объекта или физических систем, их состояний и происходящих в них процессов.

Длина, масса, время давление атмосферы, вязкость жидкого тела - все это и многое другое суть физические величины.

Измерения должны выполняться в общепринятых единицах. В настоящее время наиболее распространенной системой единиц является, уже известная вам из курса физики и ТОЭ система SI. В качестве основных в SI используются 7 единиц, через которые выражаются все остальные, которые называют производными. Основными в СИ выбраны единицы следующих физических величин:

1) массы - килограмм (кг);

2) длины - метр (м);

3) времени - секунда (с);

4) силы тока - ампер (А);

5) термодинамической температуры - Кельвин (К);

6) силы света - кандела (кд);

7) количества вещества (моль).

Очевидно, что единица ФВ должна быть воспроизведена таким образом, чтобы ее размер был постоянным во времени и не зависел от внешних воздействий. Физические величины материализуются в специальных средствах измерений - эталонах и мерах.

Наличие точно и однозначно воспроизводимых единиц ФВ позволяет обеспечить единство измерений, выполненных в разных местах, в разное время и различными техническими средствами и методами.

Средство измерений - это техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики (параметры).

В классической метрологии различают следующие средства измерений (СИ): меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, измерительные установки, измерительные системы.

Мерой называют СИ, предназначенное для воспроизведения ФВ заданного размера. Различают однозначные меры, многозначные меры и наборы мер. Однозначная мера воспроизводит ФВ одного размера (гиря, конденсатор постоянной емкости, камертон). Многозначная мера воспроизводит ряд значений ФВ (переменный резистор, штангенциркуль). Набор мер представляет специально подобранный комплект мер для воспроизведения ряда значений ФВ, при этом меры могут использоваться как отдельно так и в различных сочетаниях. Примерами наборов являются - набор гирь, магазин сопротивлений, магазин емкостей, набор щупов для измерения зазоров и т.п.

Измерительными приборами называют средства измерений, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации, т.е. информации о значениях измеряемой физической величины, в форме доступной для непосредственного восприятия оператором.

Измерения можно классифицировать по различным признакам:

По числу измерений:

1) однократные, когда измерения выполняют один раз;

2) многократные - ряд однократных измерений ФВ одного и того же размера.

По характеристике точности:

1) равноточные — ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности СИ в одних и тех же условиях;

2) неравноточные - ряд измерений какой-либо величины выполняется различающимися по точности средствами измерений и в разных условиях.

По характеру изменения во времени измеряемой величины:

1) статические, когда значение физической величины считается неизменным на протяжении времени измерения;

2) динамические — измерение изменяющийся по размеру физической величины.

 

По способу представления результатов измерений:

1) абсолютное— измерение величины в ее единицах;

2) относительные — измерение величины по отношению к одноименной величине.

Относительные измерения при прочих равных условиях могут быть выполнены более точно, чем абсолютные, так как в суммарную погрешность не входит погрешность меры величины.

Виды измерений

По способу получения результата все измерения подразделяют на виды: прямые и косвенные, совокупные и совместные.

Прямые измерения — измерения, при которых искомое значение физической величины получают непосредственно из опытных данных. К прямым измерениям относятся, например, нахождение значения напряжения, тока, мощности по шкале прибора.

Косвенные измерения — определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. При этом числовое значение искомой величины находится расчетным путем, например нахождение значения мощности в нагрузке по показаниям амперметра и вольтметра (Р = UI). Хотя косвенные измерения сложнее прямых, они широко применяются в практике измерений, особенно тогда, когда прямые измерения практически невыполнимы либо косвенное измерение позволяет получить более точный результат по сравнению с прямым измерением. Косвенные измерения, в свою очередь, подразделяют на совокупные и совместные.

Первым этапом перед планированием и выполнением любой измерительной процедуры является формализация и составление модели объекта измерений и измеряемой величины. Так, перед измерением диаметра стержня необходимо представить его, как круглый цилиндр с указанием отклонений от круглости. При измерении температуры воздуха в некотором объеме необхо­димо представить модель распределения температуры в этом объеме и сформу­лировать измеряемую температуру, как измеряемую величину: среднюю по объему, как минимальную и максимальную, или как температуру в какой-либо точке объема.

На следующем этапе организуется взаимодействие измерительного инструмента с объектом измерений. Этот этап является важнейшим в процедуре восприятия информации от объекта. В нем сконцентрирована физическая, информационная и философская сущность измерений, как познавательного процесса. Именно здесь сталкиваются две противоположные стороны любого познания: без контакта с объектом познание невозможно, но этот контакт с объектом искажает его, что приводит к потере части информации.

В связи с изложенным это взаимодействие должно быть:

- достаточно “деликатным” по отношению к объекту с тем, чтобы извлечь максимум информации при минимальном искажении объекта;

- избирательным только по отношению к измеряемой величине и нечувствительным по отношению к иным свойствам и параметрам объекта;

- стабильным во времени;

- нечувствительным к внешним мешающим факторам: климатическим, механическим и другим.

Сигнал измеряемой величины, воздействующий на чувствительный элемент измерительного инструмента, порождает реакцию этого инструмента в виде сигнала измерительной информации, который должен быть связан с сигналом измеряемой величины взаимнооднозначной стабильной функциональной зависимостью.

Сигнал измерительной информации, который получается в результате взаимодействия чувствительной части измерительного инструмента с объектом, обычно подвергается преобразованиям, таким, как фильтрация, усиление, ослабление, нелинейному преобразованию, преобразованию в цифровой код с целью получения сигнала, пригодного для дальнейшей математической обработки. Все эти преобразования должны быть взаимнооднозначными, стабильными во времени, не зависящими от действия внешних мешающих факторов.

Последующая математическая обработка имеет целью приведение сигнала измерительной информации к размерности измеряемой величины и к такому размеру, чтобы обеспечить уверенное сопоставление со шкалой измеряемой величины. Эта шкала формируется благодаря выполнению специальной метрологической процедуры, связывающей ее с государственным эталоном, который хранит единицу измеряемой величины.

Обязательным заключительным этапом измерения является формирование и представление результата измерения и характеристик погрешности этого результата, то есть характеристик остаточной неопределенности значения измеряемой величины.

Этапы выполнения косвенных измерений от процедуры прямых измерений отличается добавлением этапа вычисления результата косвенного измерения. Понятно, что здесь перед планированием и выполне­нием измерений важно составить более подробную модель объекта измерений, которая должна содержать те самые соотношения между параметрами объекта, которые будут использованы на этапе вычисления результатов косвенных измерений. И здесь в обязательном порядке результат измерения должен сопровождаться сообщением о характеристике погрешности.

Совокупные измерения — это проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях (например, нахождение сопротивлений двух резисторов по результатам измерения их сопротивления при последовательном и параллельном их включении; нахождение массы отдельных гирь набора по известному значению массы одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний этих гирь).

Совместные измерения — это производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними. Числовые значения искомых величин, как и в случае совокупных измерений, определяются из системы уравнений, связывающих значения искомых величин со значениями величин, измеренных прямым (или косвенным) способом. Число уравнений должно быть не меньше числа искомых величин. Например, по результатам прямых измерений значений сопротивления терморезистора при двух различных температурах решением системы уравнений рассчитывают необходимые значения коэффициентов.

Методы измерения

Метод измерений - совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

Метод измерения — это прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Методы измерения можно классифицировать по различным признакам:

- по физическому принципу, положенному в основу измерения, их подразделяют на электрические, механические, магнитные, оптические и т.д.;

- по степени взаимодействия средства и объекта измерения — контактный и бесконтактный. Например, измерение температуры тела термометром сопротивления (контактный) и измерение температуры объекта пирометром (бесконтактный);

- по режиму взаимодействия средства и объекта измерения — статические и динамические;

- организации сравнения измеряемой величины с мерой — метод непосредственной оценки и метод сравнения.

Метод непосредственной оценки (отсчета) — метод измерений, при котором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений. Метод отличается своей простотой, точность его невысока.

Метод сравнения с мерой — метод измерения, при котором измеряемая величина сравнивается с величиной воспроизводимой мерой. Эти методы сложны, но характеризуются высокой точностью. Они подразделяются на дифференциальные, нулевые, замещения и совпадений.

Дифференциальный (разностный) метод заключается в том, что измерительным прибором оценивается разность между измеряемой величиной и однородной величиной, имеющей известное значение. Точность метода возрастает с уменьшением разности между сравниваемыми величинами.

Нулевой метод является частным случаем дифференциального метода и заключается в том, что результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводится до нуля (например, измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием).

Метод измерения замещения заключается в том, что измеряемая величина замещается мерой с известным значением величины. Метод используется, например, при измерении индуктивности, емкости.

Метод совпадений состоит в том, что измеряют разность между искомой величиной и образцовой мерой, используя совпадения отметок или периодических сигналов. Метод используется, например, для измерения перемещений, периода, частоты.

Инструментальный метод основан на использовании специальных технических средств, в том числе автоматизированных и автоматических.

Экспертный метод оценки основан на использовании суждений группы специалистов.

Органолептические методы оценки основаны на использовании органов чувств человека. Оценка состояния объекта может проводиться поэлементными и комплексными измерениями. Поэлементный метод характеризуется измерением каждого параметра изделия в отдельности. Например, эксцентриситета, овальности, огранки цилиндрического вала. Комплексный метод характеризуется измерением суммарного показателя качества, на который оказывают влияние отдельные его составляющие. Например, измерение радиального биения цилиндрической детали, на которое влияют эксцентриситет, овальность и др.; контроль положения профиля по предельным контурам и т. п.