Методы и средства измерений

1.      Понятие о средстве измерений. Обобщенная структурная схема средства измерений.

Измерение – совокупность операций, выполняемых с помощью технического средства, хранящего единицу величины и позволяющих сопоставить с ней измеряемую величину.

Средство измерения – техническое средство или комплекс, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие и (или) хранящие единицу физической величины, размер которой принимается неизменным в пределах установленной погрешности в течение известного интервала времени.

Реализуемые функции СИ:

1.      воспроизводят величину заданного (известного) размера;

2.      вырабатывают сигнал, несущий информацию о значении измеряемой величины.

СИ могут работать в двух режимах: статическом и динамическом. Статический режим — это такой режим работы СИ, при котором изменением измеряемой величины за время, требуемое для проведения одного измерения, можно пренебречь. В динамическом режиме такое пренебрежение недопустимо, поскольку указанное изменение превышает допустимую погрешность.

Обобщенная структурная схема средства измерения

Входным сигналом является измерительный сигнал, один из параметров которого однозначно связан с измеряемой ФВ: X=X{a0[(t)], a1, а2, ..., аn}, где

а0 — информативный параметр входного сигнала; (t) — измеряемая ФВ; а1, а2, ..., аn — неинформативные параметры входного сигнала (параметры, не используемые для передачи значения измеряемой величины).

Входной сигнал преобразуется измерительным преобразователем в пропорциональный ему сигнал X1. Сигнал с выхода измерительного преобразователя поступает на первый вход устройства сравнения, на второй вход которого подается известный сигнал с выхода многозначной меры. Значение выходной величины многозначной меры изменяется в зависимости от величины цифрового кода N, который условно считается ее входным сигналом. Изменение кода осуществляется оператором или автоматически. Сравнение измеряемой и известной величин осуществляется при помощи устройства сравнения. Устройство сравнения дает информацию, о том, какое значение выходного сигнала многозначной меры должно быть установлено автоматически или при участии оператора. Процесс изменения прекращается при достижении равенства между величинами Х1 и Хм с точностью до кванта [Q]. Выходным сигналом может служить один из трех сигналов: Y1, Y2 и Y3.

Структурная схема описывает три возможных варианта:

• СИ включает все блоки и вырабатывает сигнал Y1, доступный восприятию органами чувств человека. Возможно формирование выходных сигналов Y1 и Y2, предназначенных только для преобразования другими СИ;

• СИ состоит только из измерительного преобразователя, выходной сигнал которого равен Y3;

• СИ содержит только меру, выходной сигнал которой равен Y2.

В общем случае выходной сигнал Y(X) описывается выражением               Y=Y{b0[Х], b1, b2, ..., bm, Sl, S2,...,SL, 1, 2,..., k}, где

b0[Х] — информативный параметр выходного сигнала, функционально связанный с информативным параметром входного сигнала;

b1, b2, ..., bm — неинформативные параметры выходного сигнала;

Sl, S2,...,SL — параметры СИ, зависящие от его методической и аппаратной реализации;

1, 2,..., k — влияющие величины.

2.      Классификация СИ. Элементарные средства измерений.

Средства измерений, используемые в различных областях науки и техники, чрезвычайно многообразны. Однако для этого множества можно выделить некоторые общие признаки, присущие всем СИ независимо от области применения. Эти признаки положены в основу различных классификаций СИ.

По роли, выполняемой в системе обеспечения единства измерений:

• метрологические, предназначенные для метрологических целей — воспроизведения единицы и (или) ее хранения или передачи размера единицы рабочим СИ;

• рабочие, применяемые для измерений, не связанных с передачей размера единиц.             

По уровню автоматизации:

• неавтоматические;

•автоматизированные, производящие в автоматическом режиме одну или часть измерительной операции;

• автоматические, производящие в автоматическом режиме измерения и все операции, связанные с обработкой их результатов, регистрацией, передачей данных или выработкой управляющих сигналов.

По уровню стандартизации:

• стандартизованные, изготовленные в соответствии с требованиями государственного или отраслевого стандарта;

• нестандартизованные (уникальные), предназначенные для решения специальной измерительной задачи, в стандартизации требований к которым нет необходимости.

По отношению к измеряемой ФВ:

• основные — это СИ той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей;

• вспомогательные — это СИ той физической величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерения необходимо учесть для получения результатов измерения требуемой точности.

По роли в процессе измерения и выполняемым функциям:

      элементарные

      вспомогательные

Элементарные средства измерения предназначены для реализации отдельных операций прямого измерения. К ним относятся меры, устройства сравнения и измерительные преобразователи. Каждое из них, взятое по отдельности, не может осуществить операцию измерения.

Мера — это средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения ФВ одного или нескольких размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Уравнение преобразования меры запишется в виде Хм = N [Q].

Меры подразделяют на следующие типы:

• однозначные, воспроизводящие физическую величину одного размера (гиря 1кг, плоскопараллельная концевая мера 100мм);

• многозначные, воспроизводящие ФВ разных размеров (конденсатор переменной емкости, штриховая мера длины).

Кроме этого, различают наборы мер, магазины мер, установочные, встроенные и ввозимые меры.

Устройство сравнения (компаратор) — это средство измерений, дающее возможность сравнивать друг с другом меры однородных величин или же показания измерительных приборов.

Измерительный преобразователь (ИП) предназначен для выполнения одного измерительного преобразования.

По местоположению в измерительной цепи преобразователи делятся на первичные и промежуточные. Первичный преобразователь — это такой ИП, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, т.е. он является первым в измерительной цепи средством измерений. Промежуточные преобразователи располагаются в измерительной цепи после первичного. Зачастую конструктивно обособленные первичные измерительные преобразователи называют датчиками.

По характеру преобразования входной величины ИП делятся на линейные и нелинейные. Линейный преобразователь — это ИП, имеющий линейную связь между входной и выходной величинами. Их важной разновидностью является масштабный ИП, предназначенный для изменения размера величины или измерительного сигнала в заданное число раз.

По виду входных и выходных величин ИП делятся на:

•               аналоговые, преобразующие одну аналоговую величину в другую аналоговую величину;

•              аналого-цифровые (АЦП), предназначенные для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код;

•               цифроаналоговые (ЦАП), предназначенные для преобразования цифрового кода в аналоговую величину.

3.      Классификация средств измерений. Комплексные средства измерений.

Средства измерений, используемые в различных областях науки и техники, чрезвычайно многообразны. Однако для этого множества можно выделить некоторые общие признаки, присущие всем СИ независимо от области применения. Эти признаки положены в основу различных классификаций СИ.

По роли, выполняемой в системе обеспечения единства измерений:

• метрологические, предназначенные для метрологических целей — воспроизведения единицы и (или) ее хранения или передачи размера единицы рабочим СИ;

• рабочие, применяемые для измерений, не связанных с передачей размера единиц.             

По уровню автоматизации:

• неавтоматические;

•автоматизированные, производящие в автоматическом режиме одну или часть измерительной операции;

• автоматические, производящие в автоматическом режиме измерения и все операции, связанные с обработкой их результатов, регистрацией, передачей данных или выработкой управляющих сигналов.

По уровню стандартизации:

• стандартизованные, изготовленные в соответствии с требованиями государственного или отраслевого стандарта;

• нестандартизованные (уникальные), предназначенные для решения специальной измерительной задачи, в стандартизации требований к которым нет необходимости.

По отношению к измеряемой ФВ:

• основные — это СИ той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей;

• вспомогательные — это СИ той физической величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерения необходимо учесть для получения результатов измерения требуемой точности.

По роли в процессе измерения и выполняемым функциям:

      элементарные

      вспомогательные

Комплексные средства измерения

Комплексные средства измерений предназначены для реализа­ции всей процедуры измерения. Согласно классификации, по роли в процессе измерения и выполняемым функциям, к ним относятся измерительные приборы и установки, измеритель­ные системы и измерительно-вычислительные комплексы.

Измерительный прибор — средство измерений, предназначен­ное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне ее изменения и выработки сигнала изме­рительной информации, доступной для непосредственного воспри­ятия наблюдателем.

По форме индикации изме­ряемой величины различают измерительные приборы:

• показывающие, которые допускают только отсчитывание показаний измеряемой величины, например стрелочный или цифровой вольтметр;

• регистрирующие, предусматривающие регистрацию показаний на том или ином носителе информации, например на бумажной ленте. Регистрация может производится в аналоговой или цифровой форме. Различают самопишущие и печатающие приборы.

По форме преобразования используемых измерительных сиг­налов приборы подразделяют на аналоговые и цифровые.

Аналоговые приборы — это приборы, показания или выходной сигнал которых является непрерывной функцией изменения измеряемой величины. 

Цифровые приборы — это приборы, принцип действия которых основан на квантовании измеряемой или пропорциональной ей величины.

Измерительная установка – это совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, предназначенная для выработки сигналов измерительной инфор­мации в удобной для непосредственного восприятия наблюдателем форме и расположенная в одном месте.

Измерительные системы — это совокупность функционально объединенных средств измерений, средств вычислительной техни­ки и вспомогательных устройств, соединенных между собой кана­лами связи, предназначенных для выработки сигналов измеритель­ной информации в форме, удобной для автоматической обработки, переда­чи и (или) использования в автоматических системах управления.

Важной их разновидностью являются информационно-измери­тельные системы (ИИС), предназначенные для представления из­мерительной информации в виде, необходимом потребителю.

Измерительно-вычислительный комплекс – функционально объединенная совокупность СИ, компьютеров и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения конкретной измерительной задачи.
4.Основные метрологические характеристики средств измерений.

Метрологическая характеристика СИ – характеристика СИ, влияющая на результат и погрешность измерения. МХ, устанавливаемые нормативно-техническими док-ми, называются нормируемыми МХ, а определяемые экспериментально – действительными МХ.

1.Диапазон изм – обл значений изм вел, для к-рой нормированы допускаемые пределы погрешности СИ

2.Предел изм – наибольшее и наим значения диапазона измерений

3.ЦД шкалы – разность значений величин, соотв двум соседним отметкам шкалы

4.Чуствительность – отн изменения сигнала на выходе к вызвавшему это изменение изменению на входе

5.Порог чувствительности – наименьшее изменение значения изм вел, вызывающее заметное изменение показаний

6.Вариация (гистерезис) – разность м/у показаниями СИ в данной точке диапазона измерения при возрастании и убывании величины и неизменных усл