Методическое пособие 466

рекомендации. Вся полученная таким образом информация хранится в компьютерном центре, расположенном в Эгаме (Великобритания).

Поскольку любой товар до поступления на рынок проходит тщательнейшие испытания, случаи неблагоприятного воздействия косметики и других изделий компании на людей крайне редки.

23

1. МЕТРОЛОГИЯ

1.1. Понятие метрологии и измерения. Роль измерений в познании окружающего мира

Метрология (от греч. "метро" – мера и "логос" - учение) - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и требуемой точности. Измерение – совокупность действий, выполняемых при помощи средств измерений с целью нахождения числового значения измеряемой величины в принятых единицах измерений.

Измерительная техника – отрасль науки и техники, предмет которой – изучение методов, разработка и создание средств для получения опытным путем информации о величинах, характеризующих свойства и состояние исследуемых объектов (напр., явлений природы, производственных процессов).

Измерения играют важную роль в жизни человека. С измерениями он встречается на каждом шагу своей деятельности, начиная от определения расстояния на глаз и оканчивая контролем сложных технологических процессов и выполнением научных исследований.

Развитие науки неразрывно связано с прогрессом в области измерений. Измерения – один из способов познания. Поэтому многие научные исследования сопровождаются измерениями, позволяющими установить количественные соотношения и закономерности изучаемых явлений. Д. И. Менделеев писал: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять; точная наука немыслима без меры». История науки знает примеры, говорящие о том, что прогресс в области измерений способствовал новым открытиям. В свою очередь, достижения науки способствовали совершенствованию методов и средств измерений. Например, достижения в области лазерной техники позволили создать новые приборы для измерения расстояний с высокой точностью.

Имеется тесная связь между достижениями производства и возможностями измерительной техники. Любое современное производство немыслимо без точного, объективного контроля технологического процесса, осуществляемого с помощью средств измерений. Улучшение качества продукции и повышение производительности в значительной степени обусловлены тем, насколько хорошо оснащено и организовано измерительное хозяйство предприятия. Автоматизация производства также невозможна без измерений, так как нельзя управлять объектом, не имея информации об объекте. С другой стороны, достижения производства в области получения новых материалов, новых элементов с расширенными функциональными свойствами, новой технологии отражается на характеристике средств измерений, создаются возможности для разработки принципиально новых средств измерений. Необходимо особо подчеркнуть распространенность электрических средств для измерения не только электрических величин, но и неэлектрических, что объясняется достоинствами электрических средств измерений. Основными достоинствами электрических методов измерения являются:

возможность преобразования разнообразных физических величин в единую электрическую величину, чем создаются условия унификации измерительной аппаратуры;

24

возможность передачи результатов измерения практически на сколь угодно дальнее расстояние;

возможность использования электрической аппаратуры измерения неэлектрических величин для автоматики и телемеханики;

большая чувствительность и точность измерения; большая мощность на выходе;

простота получения многопредельной шкалы измерения и т.п. Указанные преимущества электрических методов измерения физических величин обеспечивают им широкое применение во многих отраслях промышленности, а также для многих направлений науки и техники.

Необходимо указать, что только электрические измерения дают возможность эффективно обеспечивать унификацию средств измерения, контроля и автоматики.

1.2. Основные понятия и определения метрологии

Основные термины и определения, относящиеся к задачам количественного познания свойств физических величин, даны в ИСО/МЭК 2. Использование правильной терминологии исключает произвольность толкования в выполнении разнообразных измерений.

Физическая величина – свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношение индивидуальное для каждого объекта.

Значение физической величины – оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц.

Различают истинное и действительное значения физической величины.

Истинное значение физической величины – значение физической величины,

которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующие свойство объекта. Так как истинное значение определить практически не возможно, то вместо истинного пользуются действительным значением.

Действительное значение физической величины – значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.

Единица физической величины – физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное единицы.

Результат измерения – значение величины, найденное путем ее измерения. Для осуществления измерений необходимо воспроизвести единицу физической величины, сравнить с ней измеряемое значение, зафиксировать

результаты сравнения и оценить погрешности измерения.

Метод измерения – совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

Средства измерения – технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства, т.е. свойства, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений.

25

Единство измерений – такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Это позволяет сопоставить результаты измерений, выполненные с использованием различных методов и средств измерений в различных местах и в разное время.

Мероприятия по обеспечению единства и требуемой точности измерений установлены законодательно.

Законодательная метрология включает в себя комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, требований и норм, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны государства, направленные на обеспечение единства средств измерения.

Установлено обязательное применение Международной системы единиц СИ (SI). Единицы физических величин подразделяют на основные, дополнительные и производные.

Основные единицы СИ: длина (метр), масса (килограмм), время (секунда), сила электрического тока (ампер), термодинамическая температура (кельвин), количество вещества (моль), сила света (кандела).

Дополнительные единицы: плоский угол (радиан), телесный угол (стерадиан).

Производные единицы: частота (герц), энергия (джоуль), электрическое напряжение (вольт) и др.

Размерность физических величин – это соотношение между единицами величин, входящих в уравнение, связывающее данную величину с другими величинами, через которые она выражается.

1.3. Классификация измерений

1.3.1. Виды измерений

По способу нахождения числового значения физической величины измерения подразделяются на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямые измерения – измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных (например, измерение тока амперметром). Виды прямых измерений:

-равноточные – выполненные одним и тем же методом и с одинаковой степенью тщательности;

-неравноточные – выполненные разными наблюдателями с применением

разнообразных средств, методов и в условиях различной внешней среды. Косвенные измерения – измерения, при которых искомое значение

величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям (например, определение значения сопротивления резистора R = U/I по измеренным значениям напряжения U и тока I).

Совокупные измерения – производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин находят

26

решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин (например, измерение, при котором массы отдельных гирь набора находят по известной массе одной из них и результатам сравнения масс различных сочетаний гирь данного набора).

Совместные измерения – производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними (например, измерение, при котором сопротивление резистора R20 при температуре +20oС и его температурные коэффициенты находят по данным прямых измерений сопротивления Rt и температуры t, выполненных при разных температурах, является совместным измерением:

Rt = R20 [1+ (t-20) + (t-20)2].

Число уравнений должно быть равно числу подлежащих определению величин.

Измерения могут выполнятся с однократными или многократными наблюдениями.

Наблюдение при измерении – экспериментальная операция, выполняемая в процессе измерений, в результате которой получают одно значение из группы значений величин, подлежащих совместной обработке для получения результатов измерений.

Результат наблюдения – результат величины, получаемый при отдельном наблюдении.

По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения разделяются на статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени в процессе измерения; динамические, при которых измеряемая величина изменяется в процессе измерения и является непостоянной во времени.

По условиям, определяющ им точность результатов , измерения бывают максимально возможной точности, достигаемой при существующем уровне техники; контрольно-поверочные, погрешность которых не должна превышать некоторое заданное значение; технические, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений.

По способу выражения результатов измерения различают абсолютные и относительные измерения.

Методика измерений – детально намеченный порядок процесса измерений, регламентирующий методы, средства, алгоритмы выполнения измерений, которые в определенных (нормированных) условиях обеспечивают измерения с заданной точностью.

Алгоритм измерения – точное предписание о выполнении в определенном порядке совокупности операций, обеспечивающих измерение значения физической величины.

1.3.2. Методы измерений

27

Различают методы измерения непосредственной оценки и сравнения с мерой.

Метод непосредственной оценки – метод измерений, в котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия, заранее градуированного в единицах измеряемой физической величины. Поскольку данный метод прост, он и наиболее распространен, хотя точность его невысока.

Метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Этот метод по сравнению с методом непосредственной оценки более точен, но несколько сложен. Метод сравнения имеет следующие модификации: противопоставления, дифференциальный, нулевой, замещения, совпадения.

Метод противопоставления – метод сравнения с мерой, в котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами. Метод применяют при измерении ЭДС, напряжения, тока. Характерным является наличие двух источников энергии.

28

Дифференциальный метод – метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор воздействует разность между измеряемой величиной и известной величиной, воспроизводимой мерой. Например (рис. 1.1.), измерение

Vx с помощью дискретного делителя R, Vx=Vo+ Vx. Точность метода возрастает с уменьшением

разности между значениями сравниваемых величин. Метод применяют при измерении параметров цепей (сопротивления, индуктивности, взаимоиндуктивности, емкости), напряжения и др.

Нулевой метод – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект взаимодействия величин на прибор сравнения доводят до нуля (с помощью нуль-индикатора). Например, измерение R с помощью четырехплечевого моста, где падение напряжения на Rx уравновешивается V на

известном R.

Метод замещения – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Метод замещения часто применяют при измерении параметров цепей. В сочетании с явлением резонанса на высоких частотах он позволяет исключить паразитные параметры и обеспечить высокую точность. Например, точное измерение малого напряжения с помощью высокочувствительного гальванометра, к которому сначала подключают источник неизвестного напряжения и определяют отклонение указателя, а затем с помощью регулируемого источника известного напряжения добиваются того же отклонения указателя.

Метод совпадений – метод сравнения с мерой, в котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Метод применяют при измерении частот, приеме точных сигналов времени. Например, измерение частоты вращения детали стробоскопом.

Рассмотренные методы определяют принципы построения измерительных приборов.

29

1.4.Электрические сигналы измерительной информации

Всредствах измерений передача, хранение и отображение информации о значениях измеряемых величин осуществляются с помощью сигналов, которые принято называть сигналами измерительной информации. Сигнал как материальный носитель информации представляет собой некоторый физический процесс, один из параметров которого функционально связан с измеряемой величиной. Такой параметр называют информативным параметром. Остальные параметры называют неинформативными. В электрических средствах измерений наиболее часто применяют электрические сигналы, информативными параметрами которых могут быть мгновенные значения постоянных токов и напряжений, амплитудные, средневыпрямленные или действующие значения синусоидальных токов и напряжений, а также частота или фаза и др.

При прохождении сигналов в средствах измерений они могут преобразовываться из одного вида в другой, более удобный для последующей передачи, хранения, обработки или восприятия оператором. Для иллюстрации таких преобразований на рис. 1.2. приведена структурная схема прибора, предназначенного для измерения температуры. На выходе термопары ТП возникает сигнал измерительной информации – термо-ЭДС е, которая зависит от измеряемой температуры t (oC). Этот сигнал преобразуется модулятором М в прямоугольные импульсы напряжения uM, амплитуда которых пропорциональна термо-ЭДС. Переменная составляющая сигнала uM усиливается усилителем У~ переменного тока и преобразуется в однополярные импульсы uB выпрямителем В. Выходной сигнал выпрямителя подается на милливольтметр mV, вызывая отклонение его указателя на некоторый угол . В данной схеме сигналы e, uM, u~, uB,есть сигналы измерительной информации.

Рис.1.2. Сигналы измерительной информации в приборе для измерения температуры

Измеряемая величина – температура в рассматриваемом примере – является входным сигналом для первичного измерительного преобразователя. Если сформулировать строже, то измеряемая величина является информативным

сигналом является синусоидальное напряжение, а измеряемой величиной – действующее значение этого сигнала, являющееся в данном случае его информативным параметром.

Необходимым условием различных преобразований сигналов является реализация определенной (чаще линейной) функциональной зависимости между информативными параметрами сигналов у и измеряемой величиной х. Практически в средствах измерений это условие выполняется с некоторой точностью, обусловленной погрешностями преобразования звеньев и действием помех. Применение того или иного вида сигнала зависит от многих факторов: используемых принципов преобразования измеряемых величин в электрический сигнал для первичных измерительных преобразователей, требуемой точности и помехоустойчивости передачи измерительной информации, скорости изменения измеряемых величин и т.д.

Существует множество различных видов сигналов. Важным классификационным признаком сигналов является характер их изменения во времени и по информативному параметру. По этому признаку различают непрерывные, или аналоговые, и дискретные сигналы. Часто изменение сигнала по информативному параметру называют изменением по уровню. Дискретные по уровню сигналы называют также квантованными сигналами.

Рассмотрим основные виды сигналов, используемых в средствах измерений.

1. Непрерывные (аналоговые) по информативному параметру и времени сигналы. Непрерывные сигналы определены в любой момент времени существования сигнала и могут принимать любые значения в диапазоне его изменения. В качестве таких сигналов нашли применение постоянные и гармонические токи и напряжения. Для постоянных токов i и напряжений u информативными параметрами являются их мгновенные значения, функционально связанные с измеряемой величиной x. На рис. 1.3,(б) изображен непрерывный сигнал y (ток i или напряжение u), связанный линейной зависимостью y=kx с измеряемой величиной x, здесь k – коэффициент преобразования.

В гармонических сигналах информативными параметрами могут быть амплитуда Ym, угловая частота или фаза . Изменение информативного параметра гармонического сигнала в соответствии с изменением измеряемой величины х называют модуляцией этого сигнала. Если с изменением х в гармоническом сигнале меняется один из параметров Ym, или , то говорят, что осуществляется соответственно амплитудная – АМ (рис. 1.3, а, в), частотная – ЧМ (рис. 1.3, а, г) или фазовая – ФМ (рис. 1.3, а, д) модуляция. При фазовой модуляции фаза сигнала определяется относительно второго (опорного) гармонического сигнала y0.

2. Непрерывные по информативному параметру и дискретные по времени сигналы. Такие сигналы определены на некотором конечном или счетном

1.3, б), определенных в моменты времени ti. В реальных средствах измерений подобным сигналом является периодическая последовательность импульсов постоянного тока (рис. 1.3, ж), у которых, в отличие от абстрактной модели, информативными параметрами могут быть не только амплитуда Ym, но и частота f или длительность этих импульсов. При этом в зависимости от того, какой из этих параметров функционально связан с х, имеет место соответственно амплитудно-импульсная – АИМ (рис. 1.3, а, ж), частотно-импульсная – ЧИМ (рис. 1.3, а, з) или широтно-импульсная ШИМ (рис. 1.3, а, и) модуляция сигнала.

Рис. 1.3. Измеряемая величина x (a) и сигналы измерительной информации y (б - м)

3. Сигналы, непрерывные по времени и квантованные (дискретные) по информативному параметру. В таких сигналах (рис. 1.3, б, к) информативный параметр может принимать только некоторые разрешенные уровни уi, отстоящие друг от друга на конечные интервалы32(кванты) у. Примером является сигнал