Шкала отношений

Лекция 7

Шкала отношений является числовой интервальной шкалой, но в отличие от собственно шкалы интервалов характеризуется фиксированным положением начала отсчета или нулевой точки (наличием естественного нуля, объективно существующего). Благодаря этому шкала отношений не накладывает никаких ограничений на математические операции, которые могут выполняться с получаемыми результатами измерений по такой шкале.

В дополнение к отношениям, задаваемым между свойствами оцениваемых объектов другими шкалами более низкого уровня, эта шкала добавляет отношение типа «во сколько раз больше/меньше». Исходя из этого по количеству отношений, задаваемых этой шкалой и номенклатуре допускаемых математических операций с результатами измерений, шкалы отношений считаются шкалами высокого уровня, или наиболее мощными шкалами.

По таким шкалам измеряют, например, такие физические величины как длина, масса, сила. Температура, связанная со шкалой !только Кельвина и т.д.

К шкалам отношений относят также так называемые абсолютные шкалы, которые рассматривают как частный случай шкал отношений. Всякая абсолютная шкала характеризуется наличием не только естественного абсолютного нуля, но и наличием естественной единицы. Например, шкала счета целочисленных объектов, шкала КПД, шкала относительной влажности воздуха и т.д.

Средства измерений

Что касается аппаратного обеспечения измерений, то нормативный документ РМГ 29-99 вводит такой термин как средства измерительной техники (измерительная техника), под которыми подразумевается обобщающее понятие, охватывающее технические средства, специально предназначенные для измерений.

Базовым элементом средств измерительной техники являются собственно средства измерений и их совокупности (измерительные установки и измерительные системы). Кроме этого к средствам измерительной техники (СИТ) также относят измерительные принадлежности и измерительные устройства.

Общую систему классификации СИТ можно представить следующим образом:

Средство измерений – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и/или хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменной (в пределах установленной погрешности в течение известного интервала времени).

Измерительные принадлежности – вспомогательные средства, служащие для обеспечения необходимых условий для выполнения измерений с требуемой точностью.

В качестве примеров измерительных принадлежностей можно привести термостат, специальные виброизолирующие фундаменты, тренога и другие устройства, предназначенные для защиты объекта измерения и средства измерения от негативного воздействия влияющих величин.

Измерительное устройство – техническое средство, предназначенной для реализации измерительной процедуры с требуемой точностью и не осуществляющее какое-либо преобразование измерительной информации.

Например, измерительные стойки, штативы, предназначены для установки измерительных головок в рабочее положение, а также регулирование их положения.

Простейшими средствами измерений являются меры, отличительной особенностью которых является отсутствие каких-либо преобразования измерительной информации самим средством измерений.

Мера физической величины – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и/или хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значение которых выражено в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

В зависимости от количество воспроизводимых значений размеров физической величины, меры делятся на однозначные и многозначные.

Примеры однозначных мер – гиря как мера массы, плоскопараллельная концевая мера длины, угольник как мера плоского угла 90град, образцовый резистор.

Многозначные меры подразделяются на 2 разновидности:

- многозначные штриховые меры (линейка, транспортир, измерительные сосуды)

- многозначные меры, механически объединяющие несколько однозначных (угловая концевая мера, ступенчатый шаблон)

Меры могут комплектоваться в наборы или конструктивно объединяться в так называемые магазины.

Набор мер – комплект мер разного размера одной и той же физической величины, предназначенных для применения на практике как по отдельности, так и в различных сочетаниях. (набор плоскопараллельных мер, набор гирь или разновесов и т.д.)

Магазин мер – набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (магазин электрических сопротивлений [образцовых или эталонных]).

На практике встречаются и более сложные меры, например, образцы шероховатости поверхностей, эталонные зубчатые колеса, резьбовые калибры и т.д.

При оценивании величин по условным (не метрическим) шкалам, содержащим ряд реперных (базовых) точек, в качестве мер могут выступать некоторые вещества или материалы с приписанными им условными значениями величин. Так, например, в рамках шкалы твердости минералов (шкалы Мооса) в качестве мер выступают минералы различной твердости и приписанные им условные значения твердости образуют ряд реперных точек данной шкалы.

Измерительный преобразователь – техническое средство с нормированными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи.

Примеры измерительных преобразователей – термопара, тензорезистор, фоторезистор.

Отличительной особенностью измерительных преобразователей является выдача им измерительной информации в форме, не поддающейся непосредственному восприятию оператором.

По характеру входного и выходного сигналов различают аналоговые, цифро-аналоговые и аналого-цифровые измерительные преобразователи.

По месту, занимаемому в измерительной цепи различают первичные и промежуточные измерительные преобразователи.

Первичный измерительный преобразователь – измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, то есть первый преобразователь в измерительной цепи измерительного прибора (установки, системы).

У некоторых средств измерений может быть несколько первичных измерительных преобразователей. Например, ряд термопар измерительной установки, предназначенный для контроля температуры в разных точках холодильной камеры.

Датчик – конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы. (он дает информацию).

Информация, выдаваемая датчиком, может передаваться на значительные расстояния по каналам проводной или беспроводной связи.

Например, датчики метеорологического зонда или стационарной метеостанции дают информацию о температуре, давлении, влажности и других параметрах атмосферы.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне.

Измерительный прибор предназначен для получения измерительной информации от объекта измерения, ее преобразования и выдачи в форме, поддающейся непосредственному восприятию оператором. Для реализации этой функции измерительный прибор должен иметь чувствительный элемент, конструктивно связанный с первичным измерительным преобразователем и устройство отображения измерительной информации.

Общая структурная схема измерительного прибора выглядит следующим образом.

Чувствительный элемент – элемент измерительной цепи, находящийся под воздействием измеряемой физической величины.

Измерительный прибор включает в себя один или несколько измерительных преобразователей и присоединенные к ним устройства отображения измерительной информации.

По способу отображения измерительной информации измерительные приборы делятся на показывающие и регистрирующие. Причем регистрирующие измерительные приборы могут быть записывающими или печатающими.

В показывающих измерительных приборах чаще всего используется такие УОИ (устройства отображения информации) как шкала-указатель или цифровое табло.

В зависимости от формы выходного сигнала различают приборы с аналоговым или дискретным выходом (приборы с дискретным выходом принято называть цифровыми, а с аналоговым - аналоговыми).

Вид устройства отображения измерительной информации не определяет форму выходного сигнала:

Система щкала-указатель электронно-механических часов выдает информацию в дискретной форме. А изменение выходного сигнала бытового счетчика электроэнергии на правом крайнем барабане цифрового табло идет непрерывно.

Лекция 8

Измерительные приборы делятся на:

- приборы прямого действия

- приборы сравнения

При чем приборы сравнения принято называть компараторами.

Компаратор – средство сравнения, предназначенное для сличения мер однородных величин.

Основные и вспомогательные средства измерений, а также дополнительные устройства могут объединяться в некоторые измерительные комплексы или сложные средства измерений, которые делятся на 2 разновидности:

- измерительные установки

- измерительные системы

Основное средство измерения – средство измерение той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с решаемой измерительной задачей.

Вспомогательное средство измерений – средство измерений той физической величины, влияние которой на основное средство измерения или на объект измерения необходимо учитывать для получения результатов измерений требуемой точности.

Таким образом, вспомогательные средства измерений – средств измерений некоторых влияющих физических величин, значения которых должны контролироваться в процессе выполнения измерений для минимизации дополнительных погрешностей условий (например, термометр, барометр, психрометр для контроля параметров окружающей среды в зоне выполнения измерений).

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенных для измерений одной или нескольких физических величин и расположенных в одном месте.

Таким образом, в рамках измерительной установки, составляющие ее средства измерений, располагаются компактно в одном месте. Примеры, установка для измерений удельных электрических сопротивлений электротехнических материалов, установка для испытаний магнитных материалов и т.д.

К измерительным установкам относятся также 3хкоординатные измерительные машины. Более корректное название – приборы, позволяющие измерять координаты точек контролируемых объектов в декартовой трехмерной системе координат.

Измерительная система – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту и выработке измерительных сигналов в разных целях.

При этом различают:

- измерительные информационные

- измерительные контролирующие

- измерительные управляющие

- гибкие измерительные системы (перенастраиваемые)

Примеры: измерительная система электростанции, позволяющая получать измерительную информацию о множестве физических величин, характеризующих работу различных энергоблоков. Такая система может содержать сотни измерительных каналов.

Радионавигационная система для определения местоположения различных объектов, которая, как правило, состоит из большого количества измерительно-вычислительных комплексов, разнесенных в пространстве на значительные расстояния друг от друга.

Отличительной особенностью измерительной системы от установки является то, что входящие в ее состав более простые средства измерений могут располагаться на значительном расстоянии друг от друга и объединяться в единой целое с помощью каналов проводной или беспроводной связи.

Измерительно-вычислительный комплекс – функционально объединенная совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомогательных устройств, предназначенное для выполнения в составе измерительной системы конкретной измерительной задачи.

Измерительная цепь – совокупность элементов средств измерений, образующих непрерывных путь прохождения измерительного сигнала одной физической величины от входа до выхода.

Измерительную цепь и измерительную систему называют измерительным каналом.

Индикаторы образуют особую группу средств измерительной техники.

Индикатор – техническое средство или вещество, предназначенное для установления наличия какой-либо физической величины или превышения уровня ее порогового значения.

В качестве примера индикатора как вещества можно привести лакмусовую бумагу, специальные индикаторные вещества, плавящиеся или застывающие при определенной температуре.

В качестве примеров индикаторов, реализованных как техническое средство можно привести, например, индикатор напряжения (индикатор фазового провода), различные индикаторы, используемые в системах пожарной и охранной сигнализации и т.д.

В режиме индикаторов могут использоваться и измерительные приборы, например, омметр при проверке обрыва электрической цепи, часы-будильник, электроконтактный измерительный преобразователь со звуковой или визуальной индикацией выхода размера за пределы поля допуска (иногда называют реле геометрических размеров).

Очевидно, что и простые и более сложные средства измерений могут включать некоторые типовые элементы, например, чувствительный элемент, показывающее устройство, регистрирующее устройство.

Чувствительный элемент средства измерений – часть измерительного преобразователя в измерительной цепи, воспринимающая входной измерительный сигнал.

Показывающее устройство средства измерения – совокупность элементов средства измерения, которые обеспечивают визуальное восприятие значения измеряемой величины или связанных с ней величин,

Чаще всего показывающее устройство бывает реализовано в виде системы шкала-указатель или цифрового табло.

Шкала средства измерения – часть показывающего устройства средство измерений, представляющая собой упорядоченный ряд отметок вместе со связанной с ними нумерацией.

В зависимости от линии расположения таких отметок, шкалы могут быть прямолинейными или криволинейными, в том числе и круговыми. Отметки могут располагаться на одинаковом расстоянии друг от друга, как у равномерных шкал, либо на различных расстояниях, как у неравномерных шкал.

Отметка шкалы – знак на шкале средства измерения (черточка, зубец, точка и т.д.), соответствующий некоторому значению физической величины.

Отметка, у которой проставлена определенное число или цифра – числовая отметка шкалы.

Промежуток между двумя соседними отметками шкалы – деление шкалы.

Различают: начальное значение шкалы (наименьшее значение величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерения) и конечное значение шкалы (наибольшее значение величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерения).

Указатель средства измерения – часть показывающего устройства, положение которой относительно отметок шкалы определяет показание средства измерения.

Указатели – стрелка, край столбика жидкости, штрих, кромка некоторой детали, перемещающейся относительно шкалы, световое пятно (индекс с некоторой маркой).

Изменение показаний в системе шкала-указатель может осуществляться за счет перемещения любого из элементов относительно другого.

Кроме показывающих измерительных приборов на практике широко применяются регистрирующие приборы, снабженные определенным регистрирующим устройством.

Регистрирующее устройство средства измерений – совокупность элементов средства измерения, которые регистрируют значение измеряемой или связанной с ней величины.

В качестве регистрирующих устройств могут использоваться различные самописцы, печатающие устройства, устройства с фото- или магнитной регистрацией данных и т.д. Прибор может быть снабжен несколькими отсчетными шкалами с разной ценой деления, либо одной шкалой с несколькими указателями (например, часы). В приборах и индикаторах могут использоваться и другие устройства визуальной индикации (например, нуль указатели, табло светофорного типа и т.д.), а также акустические устройства (звонок, генератор речи и т.д.), либо некоторые тактильные устройства (например, вибрационное устройство в наручных часах-будильнике для слабослышащих).

Средства измерений принято также различать в зависимости от степени участия оператора в проведении измерений. По этому критерию выделяют

- автоматические

- автоматизированные

- неавтоматизированные средства измерений.

Автоматическое средство измерения – устройство, производящее без непосредственного участия человека измерения и все действия, связанные с обработкой, регистрацией, передачей данных или выработкой управляющего сигнала.

Автоматизированное СИ – СИ, производящее в автоматическом режиме одну или часть измерительных операций.

Средства измерений кроме этого подразделяют на виды и типы, при чем вид считается более широким понятием и может включать в себя ряд типов средств измерений. Например, амперметры и вольтметры являются видами СИ силы и напряжения электрического тока, включающие множество типов.

Видом СИ называется совокупность СИ, предназначенных для измерений данной физической величины.

Типов СИ называется совокупность СИ одного и того же назначения, основанных на одном и том же принципе действия, имеющих одинаковую конструкцию и изготовленных по одной и той же технической документации.

Кроме этого некоторые типы СИ могут подразделяться на модификации по определенным функциональным их параметрам.

Например, индикаторы часового типа подразделяются на 3 модификации ИЧ-10, ИЧ-5, ИЧ-2 в зависимости от диапазона показаний.

Кроме этого СИ принято различать по принципам действия, то есть по физическим принципам, используемым для преобразования измеряемой физической величины или сигнала измерительной информации. Например, измерительных микроскоп относится к оптикомеханическим приборам, индуктивный и емкостной измерительный преобразователь линейных перемещений к электрическим СИ и т.д.

Сложные измерительные приборы с длинной измерительной цепью обычно характеризуют один или двумя наиболее важными принципами преобразования. Например, лазерный интерферометр, фотоэлектрический угломер и т.д.

Лекция 9

Для обеспечения единства измерений на практике должны использоваться только метрологически узаконенные СИ.

Узаконенные СИ – СИ, признанные годными и допущенные до применения уполномоченным на то органом (органы государственной и ведомственных метрологических служб).

СИ, подлежащие изготовлению в условиях серийного и массового производства, подвергают государственным испытаниям, при положительных результатах которых производится утверждение типа СИ, и такие СИ заносятся в Госреестр.

Одной из форм официального утверждения средств измерений является их стандартизация.

Стандартизованные СИ – СИ, изготовленные и применяемые в соответствии с требованиями государственного или отраслевого стандарта. Одним из видов стандартизованных СИ является стандартный образец, под которым понимаю образец вещества (материала) с установленными в результате метрологической аттестации значениями одной или нескольких величин, характеризующими свойства или состав этого вещества (материала).

Исходя из этого различают

а) стандартные образцы свойств (образцы шероховатости поверхностей, образцы свойств ферромагнитных материалов и т.д.)

б) стандартные образца составов веществ и материалов. (применяют в химии при проведении количественных химических анализов – понятия Чистый цинк, Чистая медь и т.д.)

В общей классификации СИ стандартные образцы можно рассматривать как специфический вид мер.

Не все СИ подлежат стандартизации. Например, СИ предназначенные для единичного индивидуального производства не имеет смысла стандартизовать.

Не стандартизованные СИ – СИ, стандартизация требований к которым признана нецелесообразной.

В отношении таких СИ используют другие способы их метрологического узаконивания. Их подвергают метрологической аттестации, при положительных результатах которой оформляется соответствующее свидетельство о метрологической аттестации СИ.