1.3 Понятие об измерениях и средствах измерения физической величины

Измерение подразумевает нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств с учетом экспериментального сравнения данной физической величины с однородной (одноименной) физической величиной, значение которой принято за единицу.

Измерение — это процесс получения информации, заключа­ющийся в сравнении опытным путем измеряемых и известных величин или сигналов, выполнении необходимых логических операций и представлении информации в числовой форме. Суть измерений в метрологии состоит в определении соотношения между измеряемой величиной и ее единицей.

Понятие измерения отражает следующие его особенности (свойства):

- измерению поддаются только свойства материальных объектов;

- измерения осуществляются только с помощью технических средств, содержащих единицу измерения;

- измерить объект возможно только практическим путем (это— экспериментальный процесс, невозможно провести измерение теоретическим или расчетным путем);

- результат измерения - это значение физической величины.

Для успешного прохождения измерительного процесса необходимо обеспечить:

- возможность установления единицы, необходимой для измерения выделенной величины;

- возможность выделения измеряемой величины среди других величин;

- возможность воспроизведения и хранения установленной единицы техническим средством;

- возможность сохранения неизменным размера единицы, по меньшей мере, на срок, необходимый для проведения измерений.

Это значит, что помимо перечисленных выше свойств измерение представляет собой информационный процесс. Измерительная информация используется либо человеком-оператором, либо автоматизированной системой, осуществляющей обработку, хранение и передачу этой информации.

Существует еще одно определение понятия измерения. Измерение — получение числового значения физической величины, характеризующей свойства физического объекта, опытным путем, удовлетворяющим требованиям системы обеспечения единства измерений, которая основывается на сравнении аналоговой величины с образцовой. В этом определении внимание акцентируется на сравнении и удовлетворении требованиям системы единства измерений.

Измерить можно не только физические величины, но и функциональные зависимости, характеризующие свойства объекта измерения, а также случайные величины. С целью определения значения оценки той или иной вероятностной характеристики проводятся статистические измерения, при которых входное воздействие рассматривается как реализация случайного процесса.

Виды измерений:

1. Метрологическими измерениями называют такие, которые проводятся при помощи эталонов и образцовых средств с целью нововведения единиц физических величин или передачи их размеров рабочим средствам. Суть измерений в метрологии состоит в определении соотно­шения между измеряемой величиной и ее единицей.

2. Абсолютные измерения основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и использовании значений физических констант.

3. Относительные измерения основаны на отношении величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или изменении величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

4. Равноточными и неравноточными называются измерения одинаковыми или разными по точности средствами измерений.

5. Измерительным экспериментом называют научно обоснованный опыт для получения количественной информации с требуемой или возможной точностью определения результата измерений.

Измерительная информационная система — совокупность средств измерений (СИ) и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи и предназначенных для получения измерительной информации, доступной для наблюдения, обработки и управления объектами.

Метрологическими характеристиками называют характеристики свойств СИ, оказывающие влияние на результат измерения и его погрешность. Они бывают двух видов:

- нормируемые - устанавливаются нормативно-техническими документами: ГОСТ, ТУ, паспорт;

- действительные - определяются экспериментально.

Номенклатура характеристик регламентируется ГОСТом 8.009—84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений». В нем даны указания по выбору метрологических характеристик конкретных СИ и критерии целесообразности основных составляющих погрешности. ГОСТ 8.009—84 адаптирован к международным требованиям.

Метрологические характеристики делится на следующие группы:

1. свойства, которые определяют область применения СИ: диапазон измерений

и порог чувствительности.

Диапазон измерений — это ограниченное пределом значение величины, в рамках которого нормируются допуски пределов погрешности.

Различают:

- нижний предел измерений (ограничение снизу и слева);

- верхний предел измерений (ограничение сверху и справа).

Порог чувствительности — минимальное изменение измеряемой величины,

вызывающее заметное изменение выходного сигнала.

2. свойства, которые определяют качество измерения: точность, сходимость и

воспроизводимость измерений.

Точность — максимально близкий к истинному значению измеряемой величины результат измерений. Чем выше точность измерений, тем меньше систематические и случайные погрешности.

Сходимость —отражает близость друг другу результатов измерений, которые выполняются в одних и тех же условиях, тем же СИ и тем же оператором.

Воспроизводимость—отражает близость друг к другу результатов измерений, которые выполняются в различных условиях — в разное время, в других местах, различными методами и СИ.

Метрологические характеристики СИ служат для:

- оптимального выбора СИ (обеспечивающих требуемое качество измерений при известных условиях их применения);

- расчета метрологических характеристик каналов измерительных систем, (состоящих из ряда СИ с известными метрологическими характеристиками);

- определения результатов измерений и расчета погрешности измерения ;

- сравнения СИ, учитывая условия их применения.

Номенклатура нормируемых метрологических характеристик СИ определяется назначением, условиями эксплуатации и многими другими факторами. Нормы на основные метрологические характеристики приводятся в эксплуатационной документации на СИ. При измерениях высокой точности необходим учет всех нормируемых характеристик. В повседневной практике пользуются такой характеристикой, как класс точности.

Класс точности — это обобщенная характеристика, выражаемая пределами допускаемых погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность. Для каждого класса точности устанавливаются конкретные требования к метрологическим характеристикам, в совокупности отражающим уровень точности средств измерения данного класса. Класс точности обозначается прописными буквами латинского алфавита. Классам точности, которым соответствуют меньшие пределы допускаемых погрешностей, присваиваются начальные буквы алфавита. Обозначения класса точности наносятся на циферблаты, щитки и корпуса средств измерения.

Средствам измерения, имеющим несколько диапазонов измерений одной и той же физической величины или предназначенным для измерений разных физических величин, могут быть присвоены различные классы точности для каждого диапазона или для каждой измеряемой величины.

Классы точности присваиваются при разработке средств измерения, по результатам приемочных испытаний. При эксплуатации метрологические характеристики ухудшаются, поэтому по результатам поверки допускается понижать класс точности.

При использовании СИ важно знать степень соответствия информации об измеряемой величине, содержащейся в выходном сигнале, ее истинному значению. Поэтому для каждого СИ вводятся и нормируются определенные метрологические характеристики.

При разработке принципов выбора и нормирования СИ придерживаются следующих положений:

- должна существовать однозначная связь между нормированными метрологическими характеристиками и инструментальными погрешностями;

- нормирование метрологических характеристик СИ производится исходя из единых теоретических предпосылок;

- нормируемые метрологические характеристики выражают в такой форме, чтобы с их помощью можно было обоснованно решать практически любые измерительные задачи и одновременно достаточно просто проводить контроль СИ на соответствие этим характеристикам;

- нормируемые метрологические характеристики должны обеспечивать возможность статистического объединения, суммирования составляющих инструментальной погрешности измерений. В общем случае она может быть определена как сумма следующих составляющих погрешности:

∆_д дополнительная погрешность, обусловленная реакцией СИ на изменение внешних влияющих величин и неинформативных параметров входного сигнала относительно их номинальных значений;

∆_дин — динамическая погрешность, обусловленная реакцией СИ на скорость изменения входного сигнала;

∆_0(t)- систематическая погрешность, обусловленная отличием действительной функции преобразования в нормальных условиях от номинальной, приписанной соответствующими документами данному типу СИ;

∆_вз - систематическая погрешность, обусловленная взаимодействием СИ с объектом измерений или с другими СИ, включенными последовательно с ним в измерительную систему;

- нормируемые метрологические характеристики должны быть инвариантны к условиям применения и режиму работы СИ и отражать только его свойства. Выбор метрологических характеристик необходимо осуществлять так, чтобы пользователь имел возможность рассчитывать по ним характеристики СИ в реальных условиях эксплуатации;

- нормируемые метрологические характеристики, приводимые в нормативно-технической документации, должны отражать свойства не отдельно взятого экземпляра СИ, а всей совокупности СИ данного типа.

При классификации СИ исходят из характера зависимости измеряемой величины от времени, вида уравнения измерений, условий, определяющих точность результата измерений, и способов выражения этих результатов.

Классификация СИ:

1. По способу получения числового значения: все измерения подразделяют на

прямые, косвенные, совокупные, совместные, одноразовые, многоразовые.

- Прямыми называют измерения, при которых измеряемое значение находят непосредственно из опытных данных:

у = А х х,

где у и х— соответственно измеренное и измеряемое значения; А -коэффициент пропорциональности.

- Косвенные измерения — это измерения, результат которых опре­деляется посредством расчетов на основании прямых измерений величин, связанных с измеряемой величиной функциональной зависимостью:

у = F(х_ьх_ь...,х_п).

- Совокупными называют измерения, проводимые одновремен­но для двух или нескольких однородных (одноименных) величин для нахождения функциональной зависимости между ними. Зна­чение искомой величины находят путем решения системы уравнений.

- Совместными называют измерения двух или нескольких не являющихся одноименными величин, проводимые одновременно для нахождения функциональной зависимости между ними.

Результаты измерений используются при осуществлении контроля качества выпускаемой продукции и параметров технологического процесса. В зависимости от его непосредственного влияния на технологический процесс контроль подразделяют на активный и пассивный.

Активный контроль оказывает воздействие на технологический процесс непосредственно в ходе изготовления контролируемых изделий. От его точности зависит качество изделий, для контроля применяются автоматические измерительные устройства.

Пассивный контроль для учета, находятся или не находятся в заданных пределах физические параметры контролируемого объекта. Он осуществляется при разбраковке изделий на годные и негодные, на исправные и неисправные.

2. По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения

делятся на следующие:

- статические, актуальные в случае, когда измеряемая величина остается постоянной;

- динамические, актуальные в случае, когда измеряемая величина изменяется.

Метод измерения — совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Прямые измерения производят с использованием следующих основных методов:

1) метод непосредственной оценки дает значение измеряемой величины непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия, например измерение давления у проживающих в санаториях;

2) метод совпадения с мерой применяется при выполнении высокоточных измерений. Его сущность в том, что измеряемую величину вычисляют как сумму значения используемой для сравнения меры и показания измерительного прибора, либо принимают равным значению меры;

3) метод сравнения с мерой используется, когда измеряемая ве­личина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой.

Различают следующие виды методов сравнения:

- метод противопоставления - измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливаются соотношения между этими величинами;

- дифференциальный метод (или разностный) — измеряется разность между значениями измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой. Этот метод позволяет получить значения величины с высокой точностью даже при использовании относительно грубых средств для измерения разности. Но осуществить этот метод возможно только при условии воспроизведения с большой точностью известной величины, значение которой близко к значению измеряемой;

- нулевой метод (или балансный) — это метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля. Например, при измерении сопротивления мостом постоянного тока с полным его уравновешиванием;

- метод замещения - основан на сравнении с мерой, при котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой, сохраняя все условия неизменными. Например, при взвешивании с поочередным помещением тела и гирь на одну и ту же чашку весов. Недостаток этого метода заключается в том, что необходимо применение многозначных мер;

- метод совпадений — базируется на совпадении отметок шкал или периодических сигналов для измерения разности между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой. Например, измерения с помощью нониуса штангенциркуля.

- метод генерации псевдослучайных сигналов. В курортно-санаторных медицинских учреждениях широко используются приборы для измерения биоэлектрических потенциалов сердца, принцип работы которых основан на данном виде метода сравнения

3. Образцовые средства измерения предназначены для передачи размеров единиц физических величин от эталонов или более точных образцовых средств в рабочие средства (средства измерений, прошедшие метрологическую аттестацию и утвержденные органами государственной или ведомственной метрологической службы в качестве образца).

По назначению образцовых СИ различают:

- исходные — образцовые средства измерения, от которых размер единицы передается с высокой точностью;

- подчиненные — образцовые средства измерения, которые передают размер единицы от исходного образцового СИ непосредственно или через другие СИ.

В зависимости от погрешности аттестация образцового средства измерения подразделяется на разряды, служащие основой метрологического соподчинения СИ: первый разряд проверяет второй разряд, а эталон проверяет первый разряд.

4. Рабочим называют СИ, предназначенное для измерений, не связанных с передачей размеров единиц.

Разделение СИ на образцовые и рабочие определяется их метрологическим назначением. Образцовые СИ распространяют единицы, служащие для их применения, только для поверки других средств измерения в качестве рабочих они не используются.

5. Отсчетное устройство — это часть конструкции средства измерения, предназначенная для отсчета показаний. Выполняется в виде шкалы, указателя, дисплея, экрана осциллографа и т.п. Соответственно отсчетные устройства бывают: шкальные, цифровые, регистрирующие.

6. Шкальные устройства состоят из шкалы, представляющей собой

совокупность отметок в виде черточек, точек, зубцов и т.п., чисел, соответствующих последовательным значениям измеряемой величины, и указателя в виде каплевидных, ножевидных и световых стрелок.

Шкалы приборов бывают:

- односторонние - 0 находится в начале шкалы;

- двусторонние — 0 смещен от начала шкалы;

- симметричные - 0 находится в центре шкалы;

- безнулевые.

Основные характеристики шкалы:

- количество делений;

- длина деления — расстояние между осевыми двух соседних отметок по воображаемой линии, проведенной через середины самых коротких отметок шкалы;

- цена деления — разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы;

- диапазон показаний — область значений шкалы, ограниченная начальным и конечным значениями;

- диапазон измерений — область значений величин, для которой нормирована предельная допустимая погрешность;

- пределы измерений — наибольшее или наименьшее значение диапазона измерения.

Практически равномерной называют шкалу, цены делений которой различаются не более чем на 30 % и которая имеет постоянную цену деления.

Существенно неравномерной называется шкала с сужающимися делениями, для которых значения выходного сигнала соответствуют полусумме верхнего и нижнего пределов диапазона измерений.

1.Цифровые отсчетные устройства подразделяются на механические и цифровые, например компьютерные и цифровые осциллографы.

2.Регистрирующие отсчетные устройства состоят из механического или автоматического пишущего механизма.

3.По способу определения значения измеряемой величины измерительные приборы делятся на две группы:

- прямого действия (напольные весы);

- сравнения (измерение температуры тела).