Предисловие к русскому изданию

Книга профессора Ханса Харта «Введение в измерительную техни­ку» впервые была издана в 1977 г. и предназначалась в качестве учеб­ника для студентов технических ву­зов. С тех пор она выдержала 5 из­даний (последнее-в 1989 г.) и стала популярным учебником в среде не­мецких студентов, профессорско-преподавательского состава, специа­листов в области измерительной техники. Автор многие годы препо­давал в Гумбольдтовском универ­ситете (Берлин). Каждое из изданий книги подвергалось X. Хартом пере­работке и дополнению с целью от­ражения достижений и проблем раз­вития методов и средств измерений.

В нашей стране за последние годы опубликовано значительное число учебников и учебных пособий по измерительной технике, в основ­ном, из области электрических из­мерений. Однако предлагаемая оте­чественным читателям книга прин­ципиально отличается от этих книг оригинальностью построения и осо­бенностями изложения часто до­вольно сложных для понимания вопросов метрологии и измеритель­ной техники. Автор успешно реали­зовал свой методический подход к объяснению основных понятий мет­рологии и методов измерений. Проф. Харт как бы размышляет вместе с читателями, ставя перед ними те или иные вопросы и достаточно подробно отвечая на них. Изложе­ние материала сопровождается ре­

шением задач и хорошо продуман­ными иллюстрациями, что делает книгу одинаково интересной как для студента, впервые изучающего пред­мет, так и для специалиста, который находит для себя новые сведения или оригинальное объяснение из­вестных принципов и методов.

В связи с общей для развитых стран тенденцией к повышению тре­бований в отношении точности про­водимых измерений в книге значи­тельное место уделено погрешно­стям измерений. Соответствующие разделы книги могут рассматри­ваться и как введение в метрологию. Также подробно и доступно изложе­ны динамические характеристики средств измерений, методики опре­деления их значений, динамические погрешности средств измерений, возможности их уменьшения.

Хотелось бы подчеркнуть еще одну особенность: автор почти во всех главах книги дает возможность читателям ознакомиться как с ана­логовыми, так и с цифровыми мето­дами обработки измерительной ин­формации, не относя их по назна­чению к аналоговым или цифровым средствам измерений. Это оправда­но уже тем, что в современных из­мерительных системах, приборах и датчиках часто комбинируются как те, так и другие методы.

Книгу X. Харта можно рассмат­ривать как своеобразную измери­тельную энциклопедию, поскольку в ней освещаются практически все

актуальные вопросы современной измерительной техники, ее методов и средств, принципов построения систем сбора и обработки измери­тельной информации, в том числе применительно к автоматизирован­ным измерительным системам.

Автор стремится уйти от «уче­ности», сделать простым и доступ­ным понимание сложных вопросов современной измерительной техники и метрологии. В этом плане учебник X. Харта напоминает научно-попу­лярную книгу академика Сергея Ивановича Вавилова «Глаз и солнце», написанную многие десятилетия тому назад и остающуюся непрев­зойденным по научным и художест­венным качествам литературным трудом с высоким уровнем научного обобщения. Книга проф. X. Харта, несомненно, получит признание оте­чественных студентов и специали­

стов, занимающихся вопросами из­мерений и измерительной техники.

Следует отметить большую и творческую работу, выполненную канд. техн. наук М. М. Гельманом при переводе книги X. Харта на рус­ский язык. Перевод достоин мастер­ства автора. В необходимых случаях М.М.Гельман дает примечания, позволяющие увязать терминологию автора с принятой у нас и соответ­ствующей известному ГОСТ 16263-70 «Метрология. Термины и определе­ния».

Пожелаем книге доброго пути к уму и сердцу российского читате­ля.

Проф. В. А. Кузнецов,

академик Российской метрологической академии

Предисловие

Измерительная техника из иссле­довательских лабораторий давно уже проникла во многие области дея­тельности человека, прежде всего в промышленность и транспорт. Она широко используется при разра­ботке, создании и эксплуатации мно­гих технических объектов и систем. Поэтому измерительная техника как учебная дисциплина включена в планы обучения студентов различ­ных технических специальностей, а также физических факультетов уни­верситетов. Кроме того, в последние десятилетия точные методы и тех­нологии, требующие измерений, нашли широкое применение в хи­мии, биологии, медицине, сельском хозяйстве. Будущие специалисты в этих областях знаний в той или иной степени также изучают основы из­мерительной техники.

Опубликовано множество книг, в которых описаны различные ме­тоды и технические средства изме­рений. Однако среди них сравни­тельно немного таких, в которых были бы систематически изложены общие проблемы измерительной техники независимо от области ее применения. Между тем выпускники высших и средних учебных заведе­ний должны обладать знаниями не только основ измерительной тех­ники, но и новейших средств изме­рений, обеспечивающих прогресс в развитии науки и техники, а также промышленного производства вы­

сококачественной современной про­дукции.

Часто встречаются факты непра­вильной эксплуатации средств изме­рений в промышленных условиях, нередко приводящей к авариям, слу­чайного выбора таких средств и, как следствие этого, неоправданных зат­рат, пугающей некомпетентности авторов некоторых публикаций, по­священных вопросам измерений. Все это показывает, как велика по­требность в систематизированном освещении основополагающих прин­ципов измерительной техники.

Одной из сложных проблем мно­гих существующих учебных процес­сов является усвоение большого объема материала. В таких случаях читатель стремится пропустить от­дельные места. Однако далеко не все, что он решает пропустить, яв­ляется второстепенным.

Из многолетнего преподаватель­ского опыта автору известно, что для формирования специалиста ог­раниченные, но систематизированные основы знаний, в данном случае из­мерительной техники, более ценны, нежели детализированные, но разроз­ненные фрагменты тех или иных разделов учебного курса. Однако при отборе материала для изложе­ния таких основ, как бы ни стре­мился автор к тому, чтобы отразить все разделы измерительной техники, выбор в гой или иной степени все равно будет субъективным. Поэто-

Предисловие

му в данной книге примеры приво­дятся не столько из соображений их технической значимости, сколько с точки зрения методологии обучения и усвоения материала. Некоторые примеры используются неоднократ­но с целью демонстрации различных аспектов методов и техники реали­зации средств измерений.

Книга ориентирована не столько на какие-либо учебные планы, сколько на самостоятельное перво­начальное изучение предмета. Лишь небольшая часть излагаемого мате­риала требует специальных знаний других дисциплин (например, эле­ментов теории автоматического ре­гулирования и лазерной техники), имеющих прикладное значение для измерительной техники. Однако это не является препятствием. Благо­даря обширному предметному ука­зателю и многочисленным толкова­ниям и пояснениям в тексте (что способствует более эффективному усвоению материала вследствие об­ращения к одним и тем же примерам при рассмотрении различных аспек­тов измерений) предлагаемая книга является не только учебным, но, в определенной мере, и справочным пособием.

Материал излагается в виде клю­чевых вопросов и ответов на них, что несколько необычно. Однако та­кая форма обеспечивает, по крайней мере, два преимущества; сама по себе постановка вопросов, как пока­зывает опыт обучения, вызывает интерес к познанию, а последова­тельность связанных между собой вопросов облегчает восприятие и осмысление материала. Вместе с тем выделяемые вопросами порции ма­териала сравнительно малы и по­этому легко обозримы, в том числе и при ссылках на них.

За годы, прошедшие с выпуска

в 1979 г. первого издания книги, в измерительной технике- благодаря достижени ям микроэлектроники -произошли значительные качествен­ные изменения. Средства измерений стали включать микропроцессоры, которые обеспечивают автоматиче­ское управление процессом измере­ний и обработку данных, т. е. при­дают этим средствам «интеллек­туальные» свойства. Многие меха­нические принципы измерений те­перь удается реализовать чисто электронными средствами. В связи с разработкой различных датчиков в интегральном микроэлектронном исполнении у измерительной тех­ники появились новые приложения и перспективы развития. Нашла широкое применение и цифровая измерительная техника.

Все эти достижения, наряду с традиционными вопросами, в той или иной мере отражены в настоя­щем, пятом издании книги.

Так как измерительная техника продолжает развиваться и совер­шенствоваться, то и эта книга, ви­димо, потребует обновления. По­этому автор и издательство будут благодарны читателям, которые пришлют свои замечания и предло­жения по ее усовершенствованию.

При работе над этим учебным пособием своими советами автору очень помогли многие коллеги. Не имея возможности назвать всех поименно, хочется, тем не менее, выразить каждому из них сердечную признательность за эту помощь. Особая благодарность издательству, а также редактору г-ну Р. Фишеру за поддержку при работе над руко­писью и за множество ценных со­ветов, способствовавших улучше­нию книги.

Ханс Харт

1

Основные понятия измерительной техники

1.1. Общие термины и определения

1.1. Что такое собственно «измерение»?

На этот вопрос, неизбежно воз­никающий с самого начала перед новичком в области измерительной техники, только приступающим к ее изучению, отвечают по-разному, на­пример: 1) измерение есть сравнение величин либо 2) измерение пред­ставляет собой количественное определение физической величины.

Оба ответа на первый взгляд вроде бы верны. На самом же деле они близки к истине, но не пол­ностью отвечают на вопрос.

Ко второму ответу следует до­бавить, что значение G физической величины представляет собой ре­зультат произведения некоторого числа {G} на единичное значение [G] этой же физической величины (его принимают за единицу измере­ния).

Таким образом, измерение яв­ляется экспериментальным процес­сом, при котором, используя вспо­могательные средства, сравнивают неизвестное значение измеряемой величины с принятой единицей из­мерений и определяют, какое число раз эта единица содержится в изме­ряемой величине. Для этого единицу величины воспроизводят в удобном для сравнения виде-в так называе­мой мере; На рис. 1.1 в качестве примера изображена мера единицы

[/] , предназначенная для измерения длины / объекта - некоего бруска. Если эта мера укладывается вдоль длины объекта 2,5 раза, т. е. {/} = 2,5, то можно записать, что /={/}•[/]= =2,5[/]¹'.

Сказанное справедливо и в от­ношении чисел. Если некоторое ко­личество одинаковых объектов или событий образует множество чисел {Gz}, а в качестве меры выбрано число [C/z ], то это количество объектов отображают числом G^ (подробнее об этом- в освещении вопр. 1.21).

Наряду с измерением существует понятие контроля. Понятие контроля не ограничивается приведенными соображениями. Целью контроля является выяснение того, соответ­ствуют ли определенные свойства испытуемого (контролируемого) объекта заданным требованиям, на основе чего принимается соответст­вующее решение.

Процедуру контроля можно по-

¹¹ Приведенное определение измерения относится к элементарному объекту или явле­нию, характеризуемому состоянием одной величины. Однако часто объект (явление) характеризуется состояниями нескольких ве­личин (причем изменяющихся во времени либо зависящих от других величин). Поэтому в общем случае цель измерений может заклю­чаться в выявлении связей между величина-ми-причинных и функциональных (детерми­нированных и случайных).- Прим. перев.

Рис. 1.1. Измерение длины объекта сравне­нием ее с единицей длины, размер которой воспроизведен мерой.

яснить на примере проверки диа­метра шарика при помощи двух ка­либров с калиброванными отвер­стиями диаметрами й?і и я^ соот­ветственно. Калибры и шарик схе­матично изображены на рис. 1.2. Задача контроля заключается в уста­новлении того, находится ли диа­метр шарика между верхним и ниж­ним граничными значениями d^ и й?2 • Шарик, в случае его годности, должен проходить через отверстие с диаметром й?і, но задерживаться отверстием с диаметром й^. Чис-

а,>^>и,

Рис. 1.2. Контроль диаметра шарика калиб­ром.

1,2 калибры; 3 контролируемый шарик.

ленные значения {d^} и {d^} извест-⁷ ны и определены согласно единице измерения [(/]. Следовательно, мно­жество значений диаметра шарика {й?щ} в случае его правильного из­готовления, т.е. годности, должно удовлетворять условию {d^} < {йщ} < {й'і}, а значит, диаметр шарика ле­жит в пределах допуска d^< d^< d^. Этот вид контроля, именуемый из­мерительным, может быть осуществ­лен как процедура измерений, а диаметр шарика измерен, как вели­чина, согласно формуле

Однако на практике контролеру обычно не известны значения диа­метров калиброванных отверстий, и он ограничивается суждением, нахо­дится ли диаметр шарика в задан­ных границах допуска или нет. Таким образом, измерительный контроль отличается от собственно измерений тем, что вместо численного значения величины результатом является за­ключение вида «Да» либо «Нет», т. е. «Годен» или «Не годен».

В отличие от измерительного, при неизмерительном контроле от­сутствуют количественные крите­рии и оценки. Один из распростра­ненных видов неизмерительного контроля-визуальный (часто при помощи средств так называемого технического зрения). Целью неиз­мерительного контроля является проверка соответствия определен­ных качественных свойств наблю­даемого объекта (например, формы, цвета, герметичности емкости и т. п.) заданным требованиям. Виды контроля и их взаимосвязь с изме­рениями указаны на классифика­ционной схеме (рис. 1.3).

Часто неизмерительный контроль недостаточен, и его необходимо до­полнить (или заменить) измерениями и количественными оценками конт-

Рис. 1.3. Виды контроля.

ролируемого объекта. Для этого выбирают свойства объекта, кото­рые можно оценить количественно, а также те или иные физические па­раметры. В качестве примера можно привести контроль за потребитель­скими свойствами какого-либо сорта нефтяного масла, хранящегося в ре­зервуаре, при воздействии окружаю­щей среды и оценивание, например, изменения его вязкости или плот­ности в зависимости от колебаний температуры этой среды. Однако прямые методы измерения вязкости или плотности обычно недостаточно точны, поэтому прибегают к так называемым косвенным методам, при которых определяют некоторые критические точки, например, точки затвердевания масла или начала об­

разования парафина, характеризую­щиеся точно известными значениями температуры.

Затвердевание масла можно конт­ролировать визуально при помощи оптоэлектронных средств (рис. 1.4). Для этого резервуар с маслом перио­дически наклоняется, и если масло сохраняет жидкое состояние, то его поверхность остается горизонталь­ной. При этом луч света источника 2, отражаясь от поверхности масла, воспринимается фотоприемником 3. При затвердевании масла его по­верхность при наклоне резервуара не сохраняет горизонтальность, и от­раженный луч света проходит мимо фотоприемника.

Задачей измерений в последнем случае является определение темпе­ратурной характеристики структур­ных состояний нефтяного масла.

1.2. Где применяют изме­рительную технику и ка­кова ее значимость?

Измерения нужны в тех случаях, когда возникает необходимость в определении количественных харак­теристик тех или иных объектов и явлений (в широком смысле этих понятий). Следовательно, измери­тельная техника является основным средством познавания мира, осо­бенно в части природных процессов и объектов. Велика ее роль и в про­мышленном производстве, напри­мер, при количественном контроле

12 Глава І

технологических процессов, опреде­лении характеристик изделий и многом другом. Оперативный конт­роль параметров технологических процессов позволяет автоматически управлять такими процессами и оп­тимизировать их протекание, что, в свою очередь, повышает надеж­ность промышленного производства, качество и объем выпускаемой про­дукции. Можно сказать, что измери­тельная техника проникла во многие сферы человеческой деятельности, включая повседневный быт. Мы ежедневно пользуемся ставшими привычными такими измеритель­ными приборами, как часы, термо­метры, весы, мерные емкости и др.

То или иное конкретное приме­нение измерительных приборов не имеет существенного значения для изучения их общих принципов дейст­вия и закономерностей функциони­рования. Разделение измерительной техники только по областям приме­нения (электрические, химические, физические и т. п. приборы) имеет серьезные методические недостатки:

разнообразие и условность границ многих областей применения при­водят к неопределенности рассмот­рения как в отношении понимания методов измерений, так и с точки зрения использования самих при­боров.

Классификация приборов по принципу действия отнюдь не одно­значна. Так, понятие «электрическая измерительная техника» означает, прежде всего, что для своей работы электрические измерительные при­боры требуют подвода электриче­ской энергии. При этом они могут использоваться не только в электро­технике и энергетике, но и для изме­рения так называемых неэлектри­ческих величин (см. разд. 4.2.2). А под пневматическими измеритель­ными приборами обычно понимают не средства для измерения давления, а приборы, использующие в качест­

ве вспомогательной энергии давле­ние воздуха. Последние приведен­ные понятия скорее служат для бо­лее четкого разграничения профес­сиональной деятельности тех или иных специалистов по измеритель­ной технике, соответствующих пуб­ликаций и коммерческих операций.

Для изучения основ измеритель­ной техники представляется целесо­образным ее классификация как по методам измерений, так и по об­ластям применения. Такое разделе­ние показано на классификационной схеме, изображенной на рис. 1.5 (см. также рис. 7.1). Штриховые линии отражают условность границ между измерительной техникой того или иного применения, т. е. возможности использования одной и той же аппа­ратуры в различных условиях эксп­луатации и для решения различных задач.

Под прецизионной измеритель­ной техникой понимают средства, предназначенные для выполнения различных метрологических исследо­ваний и экспериментов. Они вклю­чают разработки и усовершенство­вания методов воспроизведения и передачи размеров единиц измере­ний, а также определения значений природных констант с максимально возможной точностью¹'. Под изме­рительной техникой лабораторно­го применения понимают средства, предназначенные преимущественно для экспериментов при проведении научно-исследовательских работ и определения количественных значе­ний соответствующих величин, а также параметров и характеристик различных процессов (см. разд. 7.1).

Измерительная техника про­мышленного назначения охватывает средства, имеющие отношение к

¹⁾ Устройства и элементы, генерирую­щие сигналы с такими константами, исполь­зуют в качестве эталонов, воспроизводящих размеры соответствующих единиц измере­ний.- Прим. перев.

Рис. 1.5. Общая классификация измеритель­ной техники.

технологическим процессам произ­водства различных видов продукции. Характерным для этих средств является непрерывный режим ра­боты, но используются и средства, которые работают с прерыванием во времени. К последним относятся, например, измерительно-контроль­ное оборудование производственных лабораторий, отдельные виды про­изводственно-контрольного и конт­рольно-измерительного оборудова­ния (см. разд. 7.2).

Измерительная техника спе­циального применения отличается в основном конструктивным исполне­нием, что обусловлено спецификой окружающей среды соответствующих областей измерений (см. рис. 1.5);

сюда относятся и некоторые особые методы измерений. Что касается места измерительной техники в об­щей системе естественных наук, то на этот счет существуют разные

мнения. Наиболее обоснованной считается точка зрения, что измери­тельная техника составляет одну из областей метрологии-науки об из­мерениях¹¹. Как и в любой другой области знаний, в метрологии сле­дует различать теоретические, тех­нические и организационные аспекты (см. рис. 1.6). Часто под метроло­гией понимают только одну ее часть-законодательную метроло­гию.

¹⁾ Метрология в переводе с греческого означает учение о мерах. Действующий у нас в стране ГОСТ 16263-70 трактует современ­ную метрологию как науку об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Некоторые специалисты считают метроло­гию учением о мерах, воспроизведении и пе­редаче единиц измерений и погрешностях этих процедур. Измерения, с их точки зре­ния,- это область знаний (наука), занимаю­щаяся вопросами определения количествен­ных значений физических величин путем срав­нения их с соответствующими мерами, а так­же погрешностей средств и результатов изме­рений- Прим. переч.