Тема 1.2. Основные понятия об измерениях и средствах измерений
1.2.1. Классификация измерений
1.2.2. Методы измерений
1.2.3. Общие сведения о средствах измерений
1.2.4. Основные характеристики средств измерений
Тема 1.2. Основные понятия об измерениях и средствах измерений
1.2.1. Классификация измерений
Под термином "измерение" понимают совокупность операций, выполняемых для определения количественного значения величины (Федеральный закон "Об обеспечении единства измерений").
Процесс измерения состоит из ряда взаимосвязанных и последовательных этапов (рис. 1).
Рис. 1. - Основные элементы и этапы процесса измерения
Все измерения классифицируют:
- по общим приёмам получения результатов измерений;
- по характеру изменения получаемой информации в процессе измерения;
- по количеству измерительной информации;
- по отношению к основным единицам.
1. По общим приёмам получения результатов измерения делятся на:
- прямые,
- косвенные,
- совокупные,
- совместные.
При прямых измерениях искомое значение измеряемой величины получают непосредственно из опытных данных (сравнением величины с ее единицей).
То есть объект исследования приводят во взаимодействие со средством измерений и по его показаниям отсчитывают значение измеряемой величины.
Часто под прямыми понимаются такие измерения, при которых не производится промежуточных преобразований.
К прямым измерениям относятся: измерение массы при помощи весов и гирь, измерение длины - линейкой, давления - манометром, силы тока - амперметром, температуры - термометром, измерение напряжения - вольтметром, сопротивления - омметром, мощности - ваттметром и т.д.
При косвенных измерениях искомое значение величины определяют на основании прямых измерений других величин, функционально связанных известной зависимостью с искомой величиной.
При этом числовое значение искомой величины определяется по формуле:
z = F(a1, a2, …, am),
где z - искомое значение измеряемой величины,
a1, a2, …, am - результаты прямых измерений величин, связанных зависимостью F с искомым значением.
Примеры: определение значения активного сопротивления R резистора на основе прямых измерений силы тока I через резистор и падения напряжения U на нём по формуле R = U/I; измерение мощности методом амперметра-вольтметра и др.
К косвенным относятся те измерения, при которых расчёт осуществляют вручную или автоматически, но после получения результатов прямых измерений. При этом может быть учтена отдельно погрешность расчёта значений.
Косвенные измерения сложнее прямых, однако они широко применяются в практике либо потому, что прямые измерения практически невыполнимы, либо потому, что косвенное измерение позволяет получить более точный результат по сравнению с прямым измерением.
При совокупных измерениях одновременно проводятся измерения нескольких одноименных величин, и искомое значение величины определяют решением системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях; при этом число уравнений должно быть не меньше числа величин.
Например, значение массы отдельных гирь набора можно определить по известному значению массы одной из гирь и по результатам измерений (сравнений) масс различных сочетаний гирь.
Или, измеряя сопротивления Rab, Rac и Rbc между вершинами треугольника, в котором соединены сопротивления R1, R2 и R3 (см. схему), и решая полученную систему уравнений, можно определить искомые значения сопротивлений R1, R2 и R3:
R1
R3
a
c
b
R2
Rab = R1(R2 + R3)/(R1 + R2 + R3),
Rac = R2(R1 + R3)/(R1 + R2 + R3),
Rbc = R3(R1 + R2)/(R1 + R2 + R3).
Совместные - производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноимённых величин для установления зависимости между ними.
Характерный пример совместных измерений - определение зависимости сопротивления резистора от температуры:
Rt = R20[1 + α(t-20) + β(t-20)2],
где R20 - сопротивление резистора при t = 20ºC; α и β -температурные коэффициенты.
Для определения величин R20, α и β измеряют сопротивление Rt резистора при трёх различных значениях температуры, затем составляют систему из трёх уравнений, по которой находят искомые параметры:
Rt1 = R20[1 + α(t1-20) + β(t1-20)2],
Rt2 = R20[1 + α(t2-20) + β(t2-20)2],
Rt3 = R20[1 + α(t3-20) + β(t3-20)2].
Совокупные и совместные измерения весьма близки друг к другу.
Числовые значения искомых величин при совокупных и совместных измерениях определяются из системы уравнений, коэффициенты в которых получены прямыми (или косвенными) измерениями.
Отличие состоит в том, что при совокупных измерениях одновременно определяют несколько одноимённых величин, а при совместных - разноимённых.
Косвенные, совместные и совокупные измерения объединяются одним принципиально важным общим свойством: их результаты рассчитываются по известным функциональным зависимостям между измеряемыми величинами и величинами, определяемыми прямыми измерениями.
Различие между этими видами измерений заключается только в виде функциональной зависимости, используемой при расчётах.
При косвенных измерениях она выражается одним уравнением в явном виде, а при совместных и совокупных - системой неявных уравнений.
2. По характеру изменения получаемой информации в процессе измерений измерения подразделяются на статические и динамические.
Любое средство измерений, как материальная система, обладает инерцией (механической, тепловой, электрической) и, следовательно, не может мгновенно реагировать на изменение измеряемой величины.
Поэтому при измерении переменной физической величины инерция средства измерения приведет к некоторому отставанию показаний средства измерения от истинного значения величины в каждый момент времени.
Очевидно, что это отставание будет зависеть не только от инерционных (динамических) свойств средств измерений, но и от скорости изменения самой измеряемой величины.
В том случае, когда показания средства измерения не зависят от его динамических свойств или когда этой зависимостью можно пренебречь, говорят, что средство измерения работает в статическом режиме, а само измерение называют статическим.
В противном случае измерение относят к динамическим.
Таким образом, статические измерения - это такие измерения, когда измеряемая величина принимается за неизменную на протяжении времени измерения; например, измерение размеров земельного участка, измерение постоянного тока в цепи и др.
Динамические измерения - это измерения, в процессе которых измеряемая величина изменяется.
Развитие средств измерений и повышение их чувствительности позволяет сегодня обнаружить изменение величин, ранее считавшихся постоянными, поэтому разделение измерений на динамические и статические можно считать условным.
3. По количеству измерительной информации измерения делятся на однократные (простые) и многократные (статистические).
Однократные измерения выполняются один раз, а многократные позволяют получить результат из нескольких следующих друг за другом измерений одного и того же объекта.
При однократных измерениях показания средства измерений являются результатом измерений; погрешность используемого средства измерений определяет погрешность результата измерения.
Применение многократных измерений позволяет повысить точность измерения до определенного предела.
4. По отношению к основным единицам измерения делятся на абсолютные и относительные.
Абсолютные измерения основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или использовании значений физических констант.
Например, определение массы в килограммах, количества вещества - в молях, частоты - в герцах.
Результат абсолютного измерения непосредственно выражается в единицах измеряемой величины.
Относительные измерения - это измерения отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.
Например, относительная влажность определяется как отношение упругости водяного пара, содержащегося в воздухе, к упругости насыщенного пара при той же температуре, и выражается в процентах; сюда же относятся измерения отношения напряжений или мощностей, исследование частотных характеристик (коэффициентов передачи) электрических цепей и т.д.
Относительные измерения при прочих равных условиях могут быть выполнены более точно, чем абсолютные, так как в суммарную погрешность не входит погрешность меры величины.
При относительных измерениях используют внесистемную безразмерную единицу - децибел (дБ), определяемую при сравнении напряжений U1 и U2 по формуле
1дБ = 20lg(U2/ U1),
а при сравнении мощностей P1 и P2:
1дБ = 10lg(P2/ P1).