Всего на сайте:
119 тыс. 927 статей

Главная | Охрана труда, БЖД

Л2. Измерение, Классификация измерений  Просмотрен 183

2.1. Классификация измерений

Измерение является важнейшим понятием метрологии. Под измерением понимают установление значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Во всех случаях проведения измерений независимо от измеряемой величины, метода и средства измерений есть общее, что составляет основу измерений – это сравнение опытным путем данной величины с другой, подобной ей, принимаемой за единицу. При всяком измерении мы с помощью эксперимента оцениваем физическую величину в виде некоторого числа принятых для нее за единицу величин, т.е. находим ее значение.

Классификация любых объектов представляет собой их условное группирование по условным признакам, осуществляемое с определенной целью. При этом одни и те же объекты могут быть классифицированы по-разному. Целесообразность классификации измерений обуславливается удобством при разработке методик выполнения измерений и обработки результатов. Классификация измерений приведена в таблице 2.1.

По способу получения измерительной информации все измерения делятся на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

1.1. Прямым называется измерение, при котором искомое значение измеряемой величины находят непосредственно из опытных данных. Примерами таких измерений являются измерение сопротивления омметром, измерение мощности ваттметром, измерение давления манометром и т.д..

1.2. Косвеннымназывается измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. При этом числовое значение искомой величины определяют по формуле

z = F(a1,a2,…,am),(2.1)

где z– значение искомой величины;

a1,a2,…,am –значения непосредственно измеряемых величин.

Таблица 2.1.

Вид классификации Наименование измерений
1. По способу получения измерительной информации 1.1.Прямые 1.2.Косвенные 1.3.Совместные 1.4.Совокупные
2. По характеру изменения измеряемой величины во времени 2.1.Статические 2.2.Динамические
3. По количеству получаемой измерительной информации 3.1.Однократные 3.2.Многократные
4. По отношению к основным единицам 4.1.Абсолютные 4.2.Относительные
5. По характеристике точности 5.1.Равноточные 5.2.Неравноточные
6. По условиям, определяющим точность результата 6.1.Эталонные 6.2.Контрольно-поверочные 6.3.Технические
 

 

Примеры косвенных измерений: определение значения активного сопротивления Rрезистора на основе прямых измерений силы тока I через резистор и падения напряжения Uна нем по формуле R=U/I; определение плотности тела ρ цилиндрической формы на основе прямых измерений его массы m, диаметра d и высоты цилиндра hпо формуле ρ=4m/πd2h и т.д..

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 о сравнению с прямым измерением.

В современных микропроцессорных измерительных приборах очень часто вычисления искомой измеряемой величины производятся «внутри» прибора. Измерения, проводимые такого рода приборами, относятся к прямым. К косвенным относятся только такие измерения, при которых расчет осуществляется вручную или автоматически, но после получения результатов прямых измерений.

1.3.К совокупнымотносятся производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. К совокупным относятся, например, измерения, при которых массы отдельных гирь набора находят по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь.

1.4. Совместныеизмерения – это производимые одновременно измерения двух или нескольких разноименных величин для нахождения зависимости между ними. Например, температурный коэффициент сопротивления проводника αТможно определить по результатам прямых измерений сопротивления R проводника и его температуры t, т.е. по выражению R=R0(1+αТt), где R0– сопротивление проводника при 0оС.

Числовые значения искомых величин при совокупных и совместных измерениях определяются из системы уравнений, связывающих значения искомых величин со значениями величин, измеренных прямым (или косвенным) способом.

Два последних из приведенных выше видов измерений весьма близки друг к другу. В обоих случаях искомые значения находятся в результате решения системы уравнений, коэффициенты в которых получены путем прямых измерений. Отличие состоит в том, что при совместных измерениях одновременно определяются несколько одноименных величин, а при совокупных – разноименных.

По характеру изменения измеряемой величины в процессе измерений измерения делятся на статические и динамические. Целью данной классификации является возможность принятия решения о том, нужно ли при конкретных измерениях учитывать скорость изменения измеряемой величины или нет.

2.1. К статическим относятся измерения физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения.

2.2.Динамические измерения – это измерения изменяющейся во времени физической величины. При этом возникает погрешность, вызываемая влиянием скорости изменения измеряемой величины. Такая погрешность называется динамической. Если динамическая погрешность пренебрежимо мала, то такие измерения можно отнести к статическим.

В зависимости от количества измерительной информации (от числа измерений), получаемой в результате эксперимента, различают одно- и многократные измерения.

3.1.Однократными называют измерения, выполненные один раз.

3.2.К многократным относят измерения одного и того же размера физической величины, следующие друг за другом. При числе отдельных измерений более четырех их результаты могут быть обработаны в соответствии с требованиями математической статистики, т.е. при четырех и более измерениях измерения можно считать многократными. Их проводят с целью уменьшения случайной составляющей погрешности.

По отношению к основным единицам (в зависимости от выражения результатов измерений) измерения подразделяются на абсолютные и относительные.

4.1.Абсолютные измерения основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) на использовании физических констант. Например, определение длины в метрах, силы тока в ампера., ускорения свободного падения в м/с2.

4.2.Относительные измерения – это измерения отношения величины к одноименной, играющей роль единицы, или величины по отношению к одноименной, принимаемой за исходную. Например, определение относительной влажности воздуха, определяемой как отношение количества водяных паров в одном кубическом метре воздуха к количеству водяных паров, которое насыщает один кубический метр воздуха при определенной температуре.

По характеристике точности измерения делятся на равноточные и неравноточные.

5.1.Равноточными называются измерения какой-либо физической величины, выполненные одинаковыми по точности средствами измерений и в одних и тех же условиях.

5.2.Неравноточными называются измерения, выполненные различными по точности средствами измерений или в разных условиях. Методика обработки результатов равноточных и неравноточных измерений различна.

По условиям, определяющим точность результата, измерения делятся на три класса.

6.1.Измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники называются эталонными. Они связаны с максимально возможной точностью воспроизведения единиц физических величин, измерения физических констант.

6.2.Контрольно-поверочными называют измерения, погрешность которых не должна превышать заданного значения. К таким измерения относят измерения, выполняемые лабораториями государственного надзора.

6.3.Техническими называют измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств и методику измерения. Это - измерения, выполняемые на предприятиях различных отраслей промышленности.

 

 

2.2. Основные характеристики измерений

Основными характеристиками являются следующие:

1. Принцип измерения.

Любые измерения представляют собой физический эксперимент, выполнение которого основано на использовании тех или иных физических явлений. Совокупность физических явлений, на которых основаны измерения, называется принципом измерения.

Например, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта; применение эффекта Джозефсона для измерения электрического напряжения; эффекта Доплера для измерения скорости.

2. Метод измерений.

Совокупность приемов использования принципов и средств измерений составляют метод измерения.

Различные методы измерений отличаются друг от друга прежде всего организацией сравнения измеряемой величины с единицей измерения. С этой точки зрения все методы измерений разделяются на две группы: методы непосредственной оценки и методы сравнения. Методы сравнения в свою очередь включают в себя дифференциальный метод, нулевой метод, метод замещения и метод совпадений.

 

  
 
 

 

 

Рис.2.1. Классификация методов измерений

 

При методе непосредственной оценки значение измеряемой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия (измерительный прибор, в котором предусмотрено одно или несколько преобразований сигнала измерительной информации в одном направлении, т.е. без обратной связи). На этом методе основаны все показывающие (стрелочные) приборы (вольтметры, амперметры, термометры, тахометры и др.). Следует отметить, что при использовании данного метода измерений мера как вещественное воспроизведение единицы измерения, как правило, непосредственно в процессе измерения не участвует. Сравнение измеряемой величины с единицей измерения осуществляется косвенно путем предварительной градуировки измерительного прибора с помощью образцовых мер или образцовых измерительных приборов.

Точность измерений по методу непосредственной оценки в большинстве случаев невелика и ограничивается точностью применяемых измерительных приборов.

Метод сравнения с мерой – это такой метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Примеры этого метода: измерение массы тела на рычажных весах с уравновешиванием гирь, измерение постоянного тока на компенсаторе сравнением с ЭДС нормального элемента.

Дифференциальный метод –это метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой. Этот метод позволяет получать результаты измерений с высокой точностью даже в случае применения относительно неточных измерительных приборов, если с большой точностью воспроизводится известная величина.

Указанный метод широко используется, в частности, при поверке средств измерений. На нем основана работа очень распространенных в электроизмерительной технике мостов постоянного и переменного тока.

Эффект повышения точности результатов измерений, достигаемый при дифференциальном методе, оказывается тем значительные, чем ближе значение меры к истинному значению измеряемой величины. В том случае, когда результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля, дифференциальный метод измерений превращается в нулевой. Очевидно, что в нулевом методе измерений используемая мера должна быть изменяемой (регулируемой), а прибор сравнения выполняет функции индикатора равенства нулю результирующего воздействия измеряемой величины и меры.

Нулевой метод позволяет получить высокие точности измерений и широко используется, например, при измерении электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием или постоянного напряжения компенсатором постоянного тока.

Другой пример нулевого метода – взвешивание на весах, когда на одном плече находится взвешиваемый груз, а на другом – набор эталонных грузов.

Методом замещенияназывается метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Это, например, взвешивание с поочередным помещением массы и гирь на одну и ту же чашку весов. Метод замещения можно рассматривать как разновидность дифференциального или нулевого метода, отличающуюся тем, что сравнение измеряемой величины с мерой производится разновременно.

Метод совпадений– это метод сравнения с мерой, в котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов. Примерами этого метода являются измерения длины с помощью штангенциркуля с нониусом, измерение частоты вращения стробоскопом.

По физическим принципам, положенным в основу измерения, методы измерений делятся на:

- электрические;

- магнитные;

- акустические;

- оптические;

- механические и т.д.

По режиму взаимодействия средства и объекта измерения методы делятся на статические и динамические.

По виду измерительного сигнала методы подразделяются на аналоговые и цифровые.

 

3. Методика выполнения измерений – это совокупность правил, приемов и последовательности операций выполнения измерений, позволяющая получить в заданных условиях результат измерений с требуемой точностью.

 

4. Погрешность измерений – разность между значением, полученным при измерении, и действительным значением измеряемой величины.

 

5. Сходимость – это качество измерений, выполненных в одних и тех же условиях и отражающее близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины в одном и том же объекте.

 

6. Воспроизводимость – это качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов, когда измерения выполняются в различных условиях (разное время, разные лаборатории, разные методы и средства измерений).

 

7. Точность – характеристика измерений, отражающая близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Точность характеризуется погрешностью измерений.

 

8. Правильность – это качество измерений, характеризующее близость к нулю систематических погрешностей в их результатах. Правильность измерений зависит, в частности, от того, насколько правильно были выбраны средства измерений.

В процессе измерения важную роль играют условия измерения – совокупность влияющих величин, описывающих состояние окружающей среды и средства измерений. Влияющая величина – это физическая величина, не измеряемая данным средством измерения, но оказывающая влияние на его результаты. При изменении условий измерения возникает погрешность, которая носит название дополнительной.

В соответствии с установленными для конкретных ситуаций диапазонами значений влияющих величин различают нормальные, рабочие и предельные условия измерений.

 

Нормальные условия измерений – это условия, при которых влияющие величины имеют нормальные или находящиеся в пределах нормальной области значения. Дополнительная погрешность при этом не возникает.

Номинальные значения влияющих величин при нормальных условиях приведены в таблице 2.2.

 

Рабочими условиями измерений называют такие, при которых влияющие величины находятся в пределах своих рабочих областей. При этом возникает дополнительная погрешность, которая может быть нормирована.

 

Предельные условия измерений – это условия, характеризуемые экстремальными значениями измеряемой и влияющей величин, которые средство измерения может выдержать без разрушений и ухудшения его метрологических характеристик.

 

 

Таблица 2.2.

  Влияющие величины Номинальные значения
1.   Температура для всех видов измерений, С(К) 20 (293)
2. Давление окружающего воздуха (для измерения ионизирующих излучений, теплофизических, температурных, магнитных, электрических измерений, измерений давления и параметров движения), кПа (мм рт.ст.) 100 (750)
3. Давление окружающего воздуха (для линейных и угловых измерений, измерений массы и силы света и др. кроме указанных в п.2), кПа (мм рт.ст.) 101,3 (760)
4. Относительная влажность (линейные, угловые измерения, измерения массы, измерения в спектроскопии), % 
5. Относительная влажность (измерения электрического сопротивления), % 
6. Относительная влажность ( измерения температуры, силы, твердости, переменного электрического тока, ионизирующих излучений, параметров движения), % 
7. Относительная влажность для других видов измерений, кроме указанных в п.4-6, % 
8. Плотность воздуха, кг/м3 1,2
9. Ускорение свободного падения, м/с2 9,8
10. Магнитная индукция (Тл) и напряженность электростатического поля (В/м) (измерения параметров движения, магнитных и электрических величин) 
11. Магнитная индукция (Тл) и напряженность электростатического поля (В/м) для всех видов измерений, кроме указанных в п.10 Соответствует характеристикам поля Земли в данном географическом районе
12. Частота питающей сети переменного тока, Гц 50±1%
13. Среднеквадратическое значение напряжения питающей сети переменного тока, В 220±10%
  

2.3. Измерение и его основные операции

Все измеряемые физические величины можно разделить на две группы:

1. непосредственно измеряемые, которые могут быть воспроизведены с заданными размерами и сравнены с подобными, например, длина, масса, время;

2. преобразуемые с заданной точностью в непосредственно измеряемые величины, например, температура, плотность. Такое преобразование осуществляется с помощью операции измерительного преобразования.

Условием реализации процедуры непрямого измерения является выполнение следующих элементарных операций:

1. измерительного преобразования измеряемой физической величины Х в другую физическую величину Q, однородную или неоднородную с ней;

2. воспроизведение физической величины заданного размера N[Q], однородной с преобразованной величиной Q;

3. сравнения однородных физических величин: преобразованной Q и воспроизводимой мерой Qм= N[Q].

Структурная схема измерения может иметь вид.

 

    Сравнение с мерой
Измерительное преобразование F

X Q=F(X)

 

           
   
     
    Результат измерения
 

 

 

Воспроизведение физической величины заданного размера

Δ=F(X)-N[Q]

 

N[Q]

 

 

N N

Рис.2.2 Структурная схема измерений

Измерительное преобразование – операция, при которой устанавливается взаимно однозначное соответствие между размерами в общем случае неоднородных преобразуемой и преобразованной физических величин.

Измерительное преобразование описывается уравнением вида

Q=F(X),

гдеF – некоторая функция (чаще стремятся сделать преобразование линейным Q=KX).

Основное назначение измерительного преобразования – получение и, если это необходимо, преобразование информации об измеряемой величине. Его выполнение осуществляется на основе выбранных физических закономерностей. В измерительное преобразование в общем случае могут входить следующие операции:

1. изменение физического рода преобразуемой величины;

2. масштабное линейное преобразование;

3. масштабно-временное преобразование;

4. нелинейное или функциональное преобразование;

5. модуляция сигнала;

6. дискретизация сигнала;

7. квантование.

 

Воспроизведение физической величины заданного размера N[Q] – это операция, которая заключается в создании требуемой физической величины с заданным значением, известным с оговоренной точностью. Операцию воспроизведения величины определенного размера можно формально представить как преобразование кода N в заданную физическую величину , основанное на единице данной физической величины Qм=N[Q].

 

Сравнение измеряемой физической величины с величиной, воспроизводимой мерой – это операция, заключающаяся в установлении отношения этих двух величин: Q>Qм; или Q=Qм. Точное совпадение сравниваемых величин, как правило, не встречается в практике измерений. В результате сравнения близких или одинаковых величин Q и может быть лишь установлено, что |Q - Qм|<[Q].

 

 

2.4.Основные этапы измерения

 

Измерение – последовательность сложных и разнородных действий, состоящая из ряда этапов.

 

1. Постановка задачи включает в себя:

- сбор данных об условиях измерения и исследуемой физической величине, т.е. накопление априорной информации об объекте измерения и ее анализ;

- формирование модели объекта и определение измеряемой величины, что является наиболее важным, особенно при решении сложных измерительных задач. Измеряемая величина определяется с помощью принятой модели как ее параметр или характеристика. В простых случаях, т.е. при измерениях невысокой точности, модель объекта в явном виде не выделяется;

- постановку измерительной задачи на основе принятой модели объекта измерения;

- выбор конкретных величин, посредством которых будет находиться значение измеряемой величины;

- формулирование уравнения измерения.

 

Пример.

Объект измерения– переменное напряжение.

Цель измерения– оценка мощности, которая может быть выделена в нагрузку.

До проведения измерений (априорная информация) известно, что переменное напряжение является периодическим и имеет форму, близкую к синусоидальной. В связи с этим, в качестве модели принимается функция синуса, а в качестве параметра – измеряемой величины – его среднее квадратическое значение, определяемое по формуле:

,

где Um и ω – амплитуда и круговая частота синусоидального напряжения.

Если априорная информация о форме напряжения отсутствует, то моделью напряжения может быть, например, произвольная периодическая функция u(t). Тогда значение измеряемой величины должно быть выражено как

,

где Т – период функции.

 

2. Планирование измерения выполняется в следующей последовательности:

- выбор методов измерений непосредственно измеряемых величин и возможных типов средств измерений;

- априорная оценка погрешности измерений;

- определение требований к метрологическим характеристикам средств измерений и условиям измерений;

- выбор средства измерения в соответствии с указанными требованиями;

- выбор параметров измерительной процедуры (числа наблюдений для каждой измеряемой величины, моментов времени и точек выполнения наблюдений);

- подготовка средства измерений к выполнению экспериментальных операций;

- обеспечение требуемых условий измерений или создание возможности их контроля.

 

3. Измерительный эксперимент включает в себя следующие действия:

- взаимодействие средств и объекта измерений;

- преобразование сигнала измерительной информации;

- воспроизведение сигнала заданного размера;

- сравнение сигналов и регистрация результата.

 

 

4. Обработка экспериментальных данных осуществляется в следующей последовательности:

- построение или уточнение возможных алгоритмов обработки данных, т.е. алгоритмов вычисления результата измерения и показателей его погрешности;

- анализ возможных алгоритмов и выбор одного из них;

- проведение вычислений согласно принятому алгоритму;

- анализ полученных результатов;

- запись результата измерений и показателей погрешности в соответствии с установленной формой представления.

 

Для многих технических измерений вся процедура измерения сводится к экспериментальному этапу, поскольку анализ, планирование, выбор нужных методов и средств измерений осуществляется предварительно, а обработка данных измерений минимизируется.

 

Предыдущая статья:Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью. Следующая статья:Погрешность результата измерений
page speed (0.0118 sec, direct)