Приборы, средства измерения, методики проведения измерения строго регламентируются. Поэтому измерительная техника как ни одна из отраслей промышленности опирается на каждом шаге на нормативно-техническую документацию. Элементы творчества, как правило, исключаются.

Структурная модель процедуры измерения

Задача любого промышленного предприятия – создание продукта надлежащего качества с минимальными затратами. Поэтому для обеспечения качества продукта необходимо использовать на всех стадиях технических процессов средства измерения – измерительные приборы и так далее.

Измерение – это познавательный процесс, состоящий в сравнении опытным путем измеряемой величины с некоторым его значением, принятым за единицу.

Как правило, для измерения необходимо иметь средство измерения. Средство измерения может выступать в разных видах.

Как правило, для единообразия средства измерения объединяют по типам: Наша задача - электрические измерения величины (вольт, ампер). В измерениях обязательно присутствуют субъект, и само действие измерения отражается по субъектам в виде некой модели или описания.

Таким образом, можно предположить некую модель измерения, в которой имеются как материальные составляющие, так и воображаемые. В основе любого измерения находится объект измерения.

Структурная модель процедуры измерения включает: объект измерения, средство измерения, первичный измеритель информации. Это реальные объекты.

В результате получим значение измеренной величины. Непосредственно измеряемая величина существует, как и параметры модели, сама модель измерения.

Объект измерения всегда материален, поэтому процедура измерения предусматривает вхождение в контакт средства измерения и объекта.

Результат опыта первично измеренная информация может представляться в различном виде. Как правило, электрические измерения используют уровень напряжения. Значение изомерной величины – то значение на индикаторах, которому соответствует входному уровню напряжения.

Кроме того, измеренная величина может иметь различную природу, отличную от электрических сигналов, то есть с помощью электрического сигнала мы получим значение t, p и тому подобное.

Объект измере -ния

Измеритель-ная цепь

Первичный преобразова-тель

Отсчетное устройство

Парамет-ры модели

Модель объекта

Что измерять?

Измеряемые величины

Значение величины

Поэтому измеряемая величина лишь ставиться в соответствие результату выходного сигнала средства измерения. С помощью параметров модели и самой модели преобразуют этот электрический сигнал в конкретную величину.

Измеряемые величины можно поделить на четыре группы:

1. физические

2. технические

3. условные

4. гуманитарные

Физические величины – непосредственно те значения из системных единиц, что имеются в нашем мире: длина, t, m, U, I, и так далее.

Технические величины – технические параметры, характеристики объектов в технике получены из физических, но имеющие самостоятельное значение.

Любая техническая величина упрощает работу с параметрами, постепенно их число растет с усложнением техники.

Условные величины появляются как характеристика объекта при каких-то условиях. Как и технические, условные величины помогают в работе.

Гуманитарные величины используют для характеристики поведения человека, сообщества. Такие величины сейчас применяют в информационных системах для моделирования поведения субъектов и общности в целом.

Этапы проведения измерения, классификация измерений

Саму процедуру измерения (опыт) часто разделяют на ряд составляющих:

1. Подготовка измерения

2. Непосредственно проведение измерения

3. Обработка результатов.

Подготовка измерения включает в себя:

1. Определение основных приемов, способов получения информации. Здесь выбирается средство измерения, определяется точность результата, решается проблема стоимости и точности.

Этап подготовки является самым главным для обеспечения точности и надежности результата. Выбор необходимого средства измерения производится на основе первичных требований, то есть на основе задачи. Правильно выбранное средство обеспечит оптимальный режим по двум критериям: стоимости S и величины погрешности dt. Эти две величины взаимосвязаны. Первоначально на этапе подготовки решают вопрос о возможных методах измерения, то есть литературы ищется способ получения сведений о параметре. Этот поиск часто может привести к нетипичной задаче, решение которой возможно методами смежных наук.

2. Приведение измерительного преобразователя в энергетический контакт с объектом. Условие: как можно меньше влиять на параметры объекта.

После этого можно провести контроль (калибровку) объекта, выбрать соответствующий диапазон. Часто процедуру калибровки относят непосредственно к измерениям.

Считывание результата, как правило, проводится по количеству цифр (делений по шкале). Если стрелка находится между делением – число деления целое.

1. Обработка результата. После считывания, как правило, производится обработка результата (единичные измерения или групповые, усреднение или нет).

2. Способ обозначения погрешностей – результат измерения следует присвоить степени неточности.

Результаты любого измерения – величина случайная, то есть она характеризуется параметрами случайной величины (С.В.).

Заключительным шагом обработки является проверка адекватности результата измерения. Адекватность – что ожидали, то и произошло.

Классификация измерений:

1. прямые

2. косвенные

3. совокупные (совместные).

Прямые измерения - результат считывается со шкалы прибора, независимо от того какой метод и какой прибор используется для измерений. Большинство электрических измерений прямые; причем с появлением новых приборов измерения как бы перемещаются в сторону прямых.

Косвенные измерения получаются после вычисления некой зависимости.

прямые измерения

к освенные измерения Y= X/Z

То есть косвенные – это вычисленные величины по прямым измерениям.

Со временем средства измерения по способу измерения преобразуют из косвенных в прямые. При косвенных измерениях результат получается во времени позже, после того, как измерения проведены. (например, вычисление, измерение косвенным путем величины сопротивления через I и U).

Совокупные измерения – это развитие косвенного метода, когда результат получается на основании выборки. Если условия опыта менялись, то после обработки совокупности измерений получается совместный результат. Часто совокупные измерения относят к процедурам обработки информации, хотя получают интересующую информацию. Совместными называют такие совокупные измерения, когда во время проведения опыта его условия менялись, то есть характеристики тоже изменятся.

Любую измеренную величину можно представить через различные единицы измерения с соответствующим коэффициентом. Величина этого коэффициента зависит от размера принятой единицы измерения.

Уравнение измерения X={x}*[x]

Измеряемая величина Х представляется как произведение числового значения измеренной величины {x} и единицу измерения [х].

Любую измеренную величину можно представить через различные единицы измерения с соответствующим коэффициентом. Величина этого коэффициента зависит от размера принятой единицы измерения.

По характеру измеряемой величины делят на:

1. статические (неподвижные)

2. постоянные

3. динамические (мгновенные значения тока)

4. стохастические – если параметры объекта изменяются случайно.

Статистические и динамические величины преобладают в технике. Вероятностная природа характерна для погрешностей, случайных погрешностей.

Методы измерений, методика проведения измерений

Метод измерения – это споcоб, путь, по которому можно получить результат измерения или опыта.

Приемы могут быть разнообразными, но принято делить на две группы:

1. непосредственная оценка

2. сравнение с мерой

Непосредственная оценка – считывание результатов со шкалы и измерительного прибора, то есть метод предусматривает присвоение измеряемой величины непосредственного значения со шкалы прибора, при этом число делений на шкале должно быть целым.

Абсолютное большинство средств измерения используют непосредственную оценку. Однако считают, что этот метод не самый точный.

Сравнение с мерой имеет целью повысить точность результата измерения, для чего мера должна иметь высокую точность. Измеряемая величина сопоставляется с некоторой эталонной, величиной мерой.

Для случая электромеханических или линейных средств измерения это верно. Но для электронных средств измерения сравнение с мерой не всегда приводит к большей точности. Поэтому на сегодня развитие электронных средств измерения (цифровые амперметры, вольтметры) приводит к вытеснению метода сравнения с мерой.

Методы сравнения с мерой:

1. Противопоставление – когда измеряемая величина и мера одновременной действуют и индикатор служит для установления равновесия (например, весы с гирями)

2. Дифференциальный метод – определение, измерение разности изменяемой величины к некой мере. При больших значениях самих величин можно точно измерить разность между ними. Частным случаем можно назвать нулевой метод, когда разность между мерой и измеряемой величиной стремится к нулю путем измерения меры (уравновешенный мост с сопротивлением).

3. Метод замещения. Действием измеряемой величины изменяется (замещается) действие некой меры. При этом значение меры должно меняться, чтобы обеспечить точное замещение.

4. Метод совпадений –используют при равенстве или кратных значениях частот, например, по фигурам Лиссажу. При совпадении частот на индикаторе получается своеобразная кривая (например, метод биений), когда при совпадении частот разностная частота прослушивается. Путем сравнения с опорным эталонным сигналом добиваются кратного совпадения с частотой эталонного сигнала. Результат – по кратности измерения.

5. Нулевой. В частном случае, разность между мерой и измеряемой величиной сводится к 0 (например в уравновешенных мостах)

Сравнение с мерой обеспечивают более точные измерения, но требуют методически более сложных действий и дополнительного оборудования. Методы применяют в лабораторных исследованиях и испытаниях. Непосредственная оценка распространена шире в производственном процессе.

Методика измерений

Метод – способ, идея в измерениях. Однако любая процедура измерения должна выполняться согласно нормативным документам – методик проведения измерения. Поскольку методика проведения измерений должна как-то фиксироваться, существуют нормативные документы, формализующие методику. В частности ГОСТ 8.467-82 (ГСИ) определяет методику выполнения измерений.

Здесь рассмотрены как последовательность проведения измерений, построение измерителей системы и соединения. Формализация методики должна распространяться только при массовых применениях. Для проведения отдельных опытов ГОСТов нет. В таких случаях методика пишется перед опытом, утверждается и является документом после утверждения.

Вывод: всякое измерение следует проводить согласно нормативному документу – методики проведения измерения.

Средства измерений, классификация средств измерений

Средство измерения – это техническое средство, имеющее гарантированные точностные характеристики и позволяющее получить количественную оценку параметра. В измерительной технике средства измерения разнообразны. Для систематизации их объединяют в различные группы по различным принципам.

Средства измерения обычно разделяют

1. По нормированным (точностным) характеристикам

   1. стандартные средства измерения – средства измерения, на которые предприятие, выпускающее их, гарантирует определенную точность измерения.

Главным признаком стандартного средства считается наличие паспорта, в котором стоит штамп выходного контролера с подтверждением, что прибор соответствует ГОСТу, классу точности, величинам погрешности и так далее.

2. нестандартные средства измерения имеют характеристику по точности, присвоенную после аттестации – это такие средства, которые выполнены в единичных экземплярах, они не прошли выходной контроль, поэтому их можно использовать только поле проведения аттестации.

1. По метрологическому подходу

1. рабочие средства измерения - те средства измерения, которые служат для получения количественной информации об измеряемом объекте. Их используют в технических процессах, на настройках, регулировках, контроле параметров;

2. образцовые средства измерения используются для контроля точности рабочих средств. Образцовых средств измерения немного, поскольку их задача контролировать рабочие средства. Характеристика по точности образцовых средств на порядок лучше, чем у рабочих;

3. эталонные средства измерения – такие средства, с помощью которых обеспечивается воспроизводство с максимальной точности единиц физических величин с целью передачи этих значений нижестоящим средствам измерения. Они нужны для сохранения эталона – величины параметра. Эталоны делятся на два уровня. Нижний уровень контролирует рабочих. Верхний – использование в работе.

Эталонные средства измерения имеются в органах Госстандарта. Непосредственно для измерения физических величин они не применяются. Эталоны нужны для контроля и поверки образцовых средств измерений.

Их используют для поверки средств измерений, имеющихся во всех метрологических лабораториях: на предприятиях, учебных заведениях, и так далее.

3. по функциям средства измерения разделяют на:

• меры

• измерительные преобразователи

• измерительные приборы

• измерительные установки

• измерительные системы

• измерительно-вычислительные комплексы

Помимо названных средств имеются:

• вспомогательные

• измерительные принадлежности.

Мера – некое средство измерения, предназначенное для воспроизведения величины параметра модели (какой-либо единицы: длины, массы, напряжения, и так далее). В зависимости от точности изготовления еры, у меры определяют класс. Меры бывают однозначные и многозначные. Первые воспроизводят величину одного физического параметра. Многозначные имеют набор, позволяющий воспроизводить множество размеров (величин параметра). Например: набор весовых гирь. К мерам относят и калибры – кольцевые меры длины.

Измерительные преобразователи предназначены для формирования сигнала измерительной информации в форме неудобной для восприятия человеком.

Делят на группы:

1. Масштабные – функция линейна. Для измерения величины входа сигнала, например: линейные электронные усилители.

2. Функциональные преобразователи. Зависимость F(x) нелинейная. Используют для исправления входных характеристик. Функциональный преобразователь часто изменяет коэффициент передачи k по диапазону, но род входной величины совпадает с выходной, то есть и x и y имеют одинаковую величину.

3. Преобразователи одной формы величины в другую. В средствах измерения часто используют такие преобразователи для измерения неэлектрических величин: температура, давление, влажность, концентрация веществ, и так далее.

4. Первичные измерительные преобразователи. Они как бы охватывают предыдущие три группы, формируя электрический сигнал, пропорциональный измеряемой величине. Первичные измерительные преобразователи отличаются тем, что имеют нормированную характеристику (паспорт). Назначение первичных измерительных преобразователей – формирование с заданной точностью электрического сигнала пропорционально измеряемой величине.

В частности, для измерения стремятся получить линейную зависимость.

Линейные измерительные преобразователи называют масштабными – имеют некий постоянный коэффициент преобразования.

Если зависимость нелинейная, такие преобразователи могут применять для исправления нелинейности предыдущего блока – функциональные преобразователи.

Иногда выделяют преобразователи из одной формы в другую (например, манометр)

ПИПр – Первичный измерительный преобразователь.

объект

ПИПр

х

Основная особенность первичных измерительных преобразований – они должны иметь линейную характеристику преобразования.

Измерительн6ые приборы – Измерительные преобразователи – средства измерений, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для преобразования, но недоступной для непосредственного восприятия человеком.

Измерительные приборы – это такие средства измерений, которые предназначены для выработки сигнала об измеряемой величине в форме, доступной для восприятия человеком. Основное различие между измерительным прибором и прибором в том, что прибор формирует сигнал в цифровой форме (числовую величину), в угол отклонения (стрелы, шкалы), величину линейного перемещения, в цвет. Эта большая группа законченной конструкции используется для получения количественного значения величины. Различие: по параметрам точности; по форме представления; по конструкторским характеристикам.

Можно считать, что измерительный преобразователь есть начальная составляющая измерительного прибора. Большинство средств измерения относят к этому классу.

Измерительные установки – некая совокупность средств измерения, используемая для получения результатов измерения. Включает сами средства измерения, некий конструктив, на который размещается. Средства измерения имеют различные корпуса.

Любая измерительная установка – это опыт, который в случае положительного результата закончится разработкой измерительной системы – средства измерения, имеющего общий кожух, конструктив, где связи между отдельными блоками стационарны.

Главное качество измерительной системы – единая процедура измерений, последовательность измерений. Полученные результаты в строго последовательности передаются на выход и фиксируются (запоминаются) в памяти на носителях информации, в выходных устройствах системы. Число параметров измерительной системы различно: от нескольких (трех-четырех) до тысячи, но обязательным параметром в этой системе является время измерения. Отличие приборов от систем: различные степени участия человека.

На сегодня любые опыты проводят с использованием вычислительной техники. Встроенные ЭВМ (контроллеры). персональные ЭВМ входят в состав измерительных систем и называются измерительно-вычислительной системой (ИВС, ИВК).

Вспомогательные средства измерения – измерения, преобразователи, сигналы которых не учитывают в результатах опыта.

Например: на приборах имеются часы работы.

Измерительные принадлежности – различные технические средства, предназначенные для поддержания в рабочем состоянии средств измерения (термостат).

Измерительно-вычислительные комплексы – развитие измерительных систем с добавлением средств автоматизированной обработки и управления процедурой измерения. Комплексы основаны на том или ином вычислителе – ЭВМ. Под управлением ЭВМ формируются сигналы опроса измерительных каналов, преобразуются полученные величины, обрабатываются и представляются в удобном для операторе виде. Комплексы выпускаются серийно, либо формируются из стандартных измерительных приборов и ЭВМ.

Характеристика средств измерений.

Все СИ в той или иной имеют характеристики по точности, – с какой степенью точности, достоверности получен результат, возможно ли ему доверять. При этом некоторые из характеристик качественные, а другие - количественные.

К качественным характеристикам относятся:

• Правильность – определяет соотношение полученного результата и реальной физической величины. Термин используют для характеристики ”правильно”, ”неправильно”. Как правило, термин ”правильность” можно связывать (поставить в соответствие) с систематической погрешностью.

• Точность – это степень определенности значений измеряемой величины. Характеризуется случайной составляющей погрешностью.

• Постоянство – степень устойчивости показаний прибора.

• Чувствительность - характеризует те малые значения входных

сигналов, которые вызывают изменения показаний приборов. Количественная характеристика:

1)Собственная чувствительность - характеризует изменение показаний прибора (dА) к изменению измеряемой величины (dX).

А

X

Рис. Кривая чувствительности.

В диапазоне измерений прибора величина может быть различной.

2) Пороговая чувствительность - - значение угла (аргумента), при котором функция изменялась на одно деление (от 0 до1). Она отличается от просто чувствительности, поскольку на начальном участке часто встречаются нелинейности. Отсюда начальный участок шкалы для измерений не использовать!

Пороговая чувствительность определяется в единицах измеряемой величины. На шкале прибора на начальном и конечном участках ставятся точки. Измерения фиксируют в интервалах между точками .На интервале от 0 до точки, показания прибора не соответствуют классу точности. Пороговую чувствительность можно определить и в средней части шкалы за счет разности x₁-x₂ при единичном приращения, то есть на одно деление.

Между собой эти характеристики взаимосвязаны: чувствительность зависит от точности а характеристика (постоянство),в свою очередь также связана с точностью..

Три выше названные характеристики – качественные – относят к оценке качества результата.

Чувствительность определяет те минимальные приращения входного сигнала, которые вызывают изменение результата на единицу (1 число, одно деление). Часто чувствительность (приращение на единицу) связывают с погрешностью измерения. Поскольку основные действия, параметры в измерительной технике регламентированы, то проблемы точности определены в ГОСТ 8-009-85 (97).

Нормируемые метрологические характеристики.

Существует ряд нормативных документов, согласно которым, результаты измерений представляются в строго определенной форме.

Инструкция МИ 1317 - 86 ГСИ оговаривает представление результатов и характеристики погрешности.

Ранее существующий ГОСТ 1317 - 86 ГСИ определял следующие вели чины и представления:

А_н – измеренное значение

_н – нижнее предельное отклонение

_в – верхнее предельное отклонение

P – величина доверительной вероятности

Инструкция 1986 года оставила это положение в силе, но подтвердила, что поскольку процедура измерения дает случайную величину, то необходимо обязательно указывать погрешность измерения. Последующая инструкция допускает такое представление измеренного значения: ( А_н  ), (А_н   ), (А_н +D;  D)

D  величина доверительного интервала.

Если при представлении результата измерений величина доверительной вероятности не указанна, подразумевается, что она выбрана стандартной для электрических измерений: P = 0,95

Как правило, при научных исследованиях результаты определяются после серии опытов необходимо обработать интервал и получить количество (число) измерений, попадающих в этот интервал, согласно принятой вероятности.

В промышленности измерения одиночны, поэтому необходимо ориентироваться на класс точности прибора и номинальное значение измеряемой величины.

При одиночных или множественных опытах результат измерения всегда должен иметь характеристику погрешностей.

При обработке экспериментов возникает задача вычисления доверительного интервала, диапазона измеряемых величин, в котором получены результаты.

Результаты могут представляться, получатся с любой точностью, любым числом знаков.

Однако, согласно нормативным документам, погрешность имеет ограничение по числу знаков:

1.Любые вычисления проводить с числом значащих разрядов, не превышающих один - два разряда исходной величины. В процессе преобразования этот запас вполне устроит по точности.

2.Погрешность измерений всегда оценивается двумя значащими цифрами ( не более ), причем два знака  погрешность пишем если ее величина   3.

3.При метрологических испытаниях.

Назначение погрешности на отклонение любой физической величины процедура экономическая. С увеличением интервала стоимость измерительного оборудования падает. Вместе с этим, большая погрешность, назначенная на измеряемую величину приводит к экономическим потерям при работе.

Термин “погрешности” часто связывают с понятием абсолютной и относительной погрешности (ошибки). Это термины физические. По ним можно вычислить предельные значения, в которых может оказаться результат. Однако в метрологии имеется другой подход к определению погрешностей, не отрицая абсолютных и относительных ошибок, метрология вводит 5 составляющих погрешности. Модель погрешности определяется как: , где

функция, связывающая различные составляющие;

- собственная погрешность СИ;

- погрешность взаимовлияния – учет тех изменений, которое вносит средство измерения в характеристику объекта;

Составляющую рекомендовано не учитывать, но соблюдать методику выполнения измерения, при которой эта погрешность должна быть минимальной.

Приборный идеализм: “что измеряю, то и есть истина” позволил продвинуть научные знания в области экспериментов, развивать технику.

Таким образом, в новых экспериментах человек должен в случае “тупика” делать шаг вперед: “ полагаю что, считаем что, допустим что.”

непосредственно погрешность СИ, складывается из следующих составляющих:

- основная систематическая погрешность;

- основная случайная погрешность;

- погрешность гистерезиса, после действия запаздывания;

- динамическая погрешность;

- сумма дополнительных случайных погрешностей;

= + + + +

Основная систематическая, погрешность гистерезиса, динамическая – это систематические погрешности, постоянно проявляющиеся, каждая одного знака. Случайная основная и случайная дополнительная – относят к вероятностным погрешностям. Они могут быть, а могут и нет, но учитывать обязательно на всякий случай.

Систематические погрешности – это погрешности “одного знака”, т.е. каждая из трех величин изменяет результат в одну сторону. В тоже время случайная погрешность – величина вероятностная и заранее не известно, в которую сторону изменится результат. Поэтому случайные погрешности представляют симметричным отклонением.

Возможны три варианта при измерениях:

1. Если результат измерения сдвинут относительно номинального, в результате присутствуют систематические погрешности, даже если возможный интервал (разброс) имеется в обе стороны.

2. Если разброс симметричен и номинальное значение совпадает с измеренным, присутствуют лишь случайные погрешности.

3. На практике для представления характеристик результатов измерения применяют законы распределения случайных величин – типовые. Говорить о законе распределения результатов измерений целесообразно, если число опытов (измерений) значительно, поэтому чаще всего представления результатов стремятся “притянуть” равномерный закон распределения, хотя на практике максимумы распределений есть всегда.

Исходная модель погрешностей предусматривает пять составляющих, каждая из этих составляющая условно отнесена к тому или иному классу. Цель такого деления – дать возможность при обработке результатов применить типовые законы распределения случайных величин, связав их в форму с особенностями погрешности полученного результата.

Класс точности учитывает симметричный разброс, а значит только группу случайных погрешностей. Поэтому электронные средства измерения не характеризуют классами точности- для них выделяют основные типы погрешностей: случайные, дополнительные случайные, систематические и т.д.