Раздел 1. Классификация видов, методов и средств измерений

Тема 1.1. Понятие об измерениях. Единицы измерений. Единство измерений. Виды и методы измерений.

Основные метрологические понятия, термины и определения формулируются государственными стандартами.

Измерение — это процесс нахождения значения физической величины опытным путем с помощью специальных средств. В зависимости от способа получения результата измерения делятся на прямые и косвенные.

Мера (прибор) — это средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. По своему метрологическому значению, по той роли, которую они играют в деле обеспечения единообразия и верности, меры делятся на образцовые и рабочие.

Эталон — это тело или устройство самой высокой точности, служащее для воспроизведения и хранения единицы физической величины и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме. Примером точности эталона может служить Российский государственный эталон времени, погрешность которого за 30 000 лет не будет превышать 1с.

Физическая величина — это свойство, общее в качественном отношении для множества объектов, физических систем, их состояний и происходящих в них процессов, но индивидуальное в количественном отношении для каждого из них. По принадлежности к различным группам физических процессов физические величины делятся на электрические, магнитные, пространственно-временные, тепловые и пр.

Значение физической величины — это оценка физической величины в принятых единицах измерения (например, 5 мА — значение силы тока, причем 5 — это числовое значение). Именно этот термин применяют для выражения количественной характеристики рассматриваемого свойства. Не следует говорить и писать «величина силы тока», «величина напряжения», поскольку сила тока и напряжение сами являются величинами. Следует использовать термины «значение силы тока», «значение напряжения».

 

Табл. 1.1. Электрические единицы измерения, используемые в электронике

Электрическая величина	Единицы измерения	Соотношение кратных (дольных) и основных единиц
Наименование	Символ обозначения	Основная	Кратная или дольная
Наименование	Русское обозначение	Международное обозначение	Наименование	Русское обозначение	Международное обозначение
Сопротивление	R, r	ом	Ом	Ω	мегаом килоом	МОм кОм	MΩ kΩ	1 МОм=106 Ом 1 кОм=103 Ом
Сила тока	I, i	ампер	А	A	миллиампер микроампер	мА мкА	mA μA	1 мА=10-3 А 1 мкА=10-6 А
Напряжение и ЭДС	U, u E, e	вольт	В	V	киловольт милливольт микровольт	кВ мкВ	kV μV	1 кВ=103 В 1 мкВ=10-6 В
Мощность	P	ватт	Вт	W	гигаватт мегаватт микроватт	ГВт МВт мкВт	GW MW μW	1 ГВт=109 Вт 1 МВт=106 Вт 1 мкВт=10-6 Вт
Емкость	C	фарад	Ф	F	микрофарад нанофарад пикофарад	мкФ нФ пФ	μF nF pF	1 мкФ=10-6 Ф 1 нФ=10-9 Ф 1 пФ=10-12 Ф
Индуктивность	L	генри	Гн	H	миллигенри микрогенри	мГн мкГн	mH μH	1 мГн=10-3 Гн 1 мкГн=10-6 Гн
Частота	F, f	герц	Гц	Hz	гигагерц мегагерц	ГГц МГц	GHz MHz	1 ГГц=109 Гц 1 МГц=106 Гц
Период	T	секунда	с	s	милисекунда наносекунда	мс нс	ms ns	1 мс=10-3 с 1 нс=10-9 с
Длина волны	λ	метр	м	m	миллиметр сантиметр дециметр	мм см дм	mm cm dm	1 мм=10-3 м 1 см=10-2 м 1 дм=10-1 м
Сдвиг фаз	∆φ	радиан	рад	rad	градус	º	º

Единица физической величины — это физическая величина, которой по определению присвоено стандартное числовое значение, равное единице. Единицы физических величин подразделяются на основные и производные.

Из-за большого диапазона реальных значений большинства измеряемых физических величин применение целых единиц не всегда удобно, поскольку в результате измерений получаются большие или малые их значения. Поэтому в системе измерений СИ (SI — система интернациональная) установлены дольные и кратные единицы.

Кратная единица физической величины всегда больше основной (системной) в целое число раз. Например, мегаом (10⁶ Ом), киловольт (10³В)

Дольная единица физической величины меньше основной (системной) в целое число раз. Например, нанофарад (10 ^-9 Ф), микроампер (10^-6 А).

При выбранной оценке физической величины ее можно охарактеризовать истинным и действительным (измеренным) значением измеряемой физической величины.

Истинное (действительное) значение физической величины — это значение, свободное от погрешности. Нахождение истинного значения является главной проблемой метрологии, так как погрешности при измерении неизбежны. В связи с этим на практике за истинное значение принимают показание образцовой меры (прибора), погрешность которой пренебрежимо мала по сравнению с погрешностью применяемых рабочих мер (приборов).

Измеренное значение физической величины — это значение величины, отсчитанное по рабочей мере (прибору).

При прямых измерениях искомая физическая величина определяется непосредственно по индикатору прибора: напряжение - вольтметра, частота - частотомера, сила тока - амперметра. Прямые измерения очень распространены в метрологической практике.

При косвенных измерениях интересующая нас величина находится расчетным путем по результатам измерений других величин, связанных с искомой величиной определенной функциональной зависимостью. Например, измерив силу тока и напряжение, на основании известной формулы можно определить мощность:

(1.1)

Косвенные измерения также часто применяются в метрологической практике.

Совместные измерения − одновременные измерения значений нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними. Например, требуется определить градуировочную характеристику термосопротивления.

Совокупные измерения − одновременные измерения нескольких значений одноименных величин, при которых искомое значение находят решением системы уравнений, составленных по результатам прямых измерений различных сочетаний значений этих величин.

Измерение корреляционно связанных величин − измерение значений семейства функций х_k(t) и у_k(t), являющихся реализациями процессов Р_х и Р_у с целью установления взаимосвязи между ними.

Наличие взаимосвязи выражается в том, что в определенный момент времени t₀ существует такой параметр, при котором реализации процессов Р_х и Р_у совмещаются наилучшим способом.

Методы измерения выделяются в зависимости от их взаимодействия с мерой, их классификация показана на рис. 1.1.

 

Рис. 1.1. Классификация методов измерения

 

Метод измерения - совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Измерения производятся одним из двух методов: методом непосредственной оценки или методом сравнения с мерой.

Метод непосредственной оценки - метод, при котором значение искомой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора. Пример метода непосредственной оценки - измерение тока амперметром.

Метод сравнения с мерой - метод измерения, при котором измеряемую искомую величину сравнивают с однородной величиной, воспроизводимой мерой. Метод сравнения с мерой имеет ряд разновидностей:

- дифференциальный метод,

- нулевой метод,

- метод замещения,

-совпадения.

Нулевой метод – это метод, в котором разность между измеряемой величиной и воспроизводимой мерой сводится к 0.

 

Рис. 1.2. Структурная схема нулевого метода,

 

где НИ – нуль-индикатор; Е_х – объект измерения; U_о – мера.

Полярность важна: здесь устройства включены встречно; мы подбираем такую меру, выходной сигнал которой равен сигналу объекта измерения (т.е. i_НИ =0). Разность измеряемой величины и величины воспроизводимой мерой в процессе измерения сводится к нулю, что фиксируется с помощью нуль-индикатора. Результат измерения равен значению меры.

Метод обеспечивает высокую точность, если мера обладает высокой точностью, а НИ – высокой чувствительностью. Обычно

Подобный метод лежит в основе построения измерительных мостов. Достоинство метода – точность.

При дифференциальном методе, так же как и при нулевом, измеряемая величина находится путем измерения разницы между искомой величиной и непосредственно или косвенно с мерой.

Рис 1.3. Структурная схема дифференциального метода.

 

Разность измеряемой величины и величины воспроизводимой мерой измеряется с помощью средства измерения – вольтметра (на рис. 1.3.). Результат определяется как сумма показания средства измерения и величины воспроизводимой мерой . Для этого метода

Метод замещения – метод, при котором измеряемая величина замещается воспроизведенной мерой.

 

Рис 1.4. Структурная схема метода замещения,

 

где R_x – объект измерения; R₀ – мера.

В зависимости от положения ключа К можно записать уравнение:

i_xR_x=u_пит, i_oR_o=u_пит.

Откуда i_xR_x=i_oR_o,

и (1.2)

Примером применения метода замещения может быть измерение сравнительно большого электрического сопротивления на постоянном токе путем поочередного измерения силы тока, протекающего через контролируемый резистор и образцовый. Питание цепи при измерениях должно производится от одного и того же источника тока. Сопротивление источника тока и прибора, измеряющего ток, должно быть очень мало по сравнению с изменяемым и образцовым сопротивлением.

Метод совпадений – это такой метод, при котором измеряемая величина определяется по периодическим сигналам или специальным шкалам. Фигура Лиссажу – классический пример метода совпадений.

Тема 1.2. Классификация и функции средств измерений.

Электроизмерительные приборы различаются по следующим признакам:

- по роду измеряемой величины;

- по роду тока;

- по степени точности;

- по принципу действия;

- по способу получения отсчета;

- по характеру применения.

Кроме этих признаков, электроизмерительные приборы можно также отличать:

- по способу монтирования;

- по способу защиты от внешних магнитных или электрических полей;

- по выносливости в отношении перегрузок;

- по пригодности к применению при различных температурах;

- по габаритным размерам и другим признакам.

Для измерения электрических величин применяются различные электроизмерительные приборы, а именно:

- тока — амперметр;

- напряжения — вольтметр;

- электрического сопротивления — омметр, мосты сопротивления;

- мощности — ваттметр;

- электрической энергии — счетчик;

- частоты переменного тока — частотомер;

- коэффициента мощности — фазометр.

По роду тока приборы делятся на приборы постоянного тока, приборы переменного тока и приборы постоянного и переменного тока.

По степени точности приборы делятся на девять классов: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5 и 4. Цифры указывают значение допустимой приведенной погрешности в процентах.

По принципу действия приборы подразделяются на: магнитоэлектрические; электромагнитные; электродинамические (ферромагнитные); индукционные и другие.

По способу получения отсчета приборы могут быть с непосредственным отсчётом и самозаписывающие.

По характеру применения приборы делятся на стационарные, переносные и для подвижных установок.

Тема 1.3. Примеры мер, измерительных преобразователей, измерительных приборов, измерительно-информационных установок и систем.

Средство измерения (СИ) - это техническое средство или совокупность средств, применяющееся для осуществления измерений и обладающее нормированными метрологическими характеристиками. При помощи средств измерения физическая величина может быть не только обнаружена, но и измерена.

Средства измерения классифицируются по следующим критериям:

1) по способам конструктивной реализации;

2) по метрологическому предназначению.

По способам конструктивной реализации средства измерения делятся на:

1) меры величины;

2) измерительные преобразователи;

3) измерительные приборы;

4) измерительные установки;

5) измерительные системы.

Меры величины - это средства измерения определенного фиксированного размера, многократно используемые для измерения.

Выделяют:

1) однозначные меры;

2) многозначные меры;

3) наборы мер.

Некоторое количество мер, технически представляющее собой единое устройство, в рамках которого возможно по-разному комбинировать имеющиеся меры, называют магазином мер.

Объект измерения сравнивается с мерой посредством компараторов (приборов сравнения). Например, компаратором являются рычажные весы.

К однозначным мерам принадлежат стандартные образцы. Различают два вида стандартных образцов:

1) стандартные образцы состава;

2) стандартные образцы свойств.

Стандартный образец состава или материала - это образец с фиксированными значениями величин, количественно отражающих содержание в веществе или материале всех его составных частей.

Стандартный образец свойств вещества или материала - это образец с фиксированными значениями величин, отражающих свойства вещества или материала (физические, биологические и др.).

Каждый стандартный образец в обязательном порядке должен пройти метрологическую аттестацию в органах метрологической службы, прежде чем начнет использоваться.

Измерительные преобразователи (ИП) - это средства измерения, выражающие измеряемую величину через другую величину или преобразующие ее в сигнал измерительной информации, который в дальнейшем можно обрабатывать, преобразовывать и хранить. Измерительные преобразователи могут преобразовывать измеряемую величину по-разному.

Выделяют:

1) аналоговые преобразователи (АП);

2) цифроаналоговые преобразователи (ЦАП);

3) аналого-цифровые преобразователи (АЦП).

Измерительные преобразователи могут занимать различные позиции в цепи измерения. Выделяют:

1) первичные измерительные преобразователи, которые непосредственно контактируют с объектом измерения;

2) промежуточные измерительные преобразователи, которые располагаются после первичных преобразователей.

Обязательными свойствами измерительного преобразователя являются нормированные метрологические свойства и вхождение в цепь измерения.

Измерительный прибор - это средство измерения, в результате применения которого измеряемая физическая величина становится показанием.

Для вывода измерительной информации, в конструкции прибора используется, например, шкала со стрелкой или цифроуказатель, посредством которых и осуществляется регистрация значения измеряемой величины. В некоторых случаях измерительный прибор синхронизируют с компьютером, и тогда вывод измерительной информации производится на дисплей.

В соответствии с методом определения значения измеряемой величины выделяют:

1) измерительные приборы прямого действия;

2) измерительные приборы сравнения.

Измерительные приборы прямого действия - это приборы, посредством которых можно получить значение измеряемой величины непосредственно на отсчетном устройстве.

Измерительный прибор сравнения - это прибор, посредством которого значение измеряемой величины получается при помощи сравнения с известной величиной, соответствующей ее мере.

Измерительные приборы могут осуществлять индикацию измеряемой величины по-разному. Выделяют:

1) показывающие измерительные приборы;

2) регистрирующие измерительные приборы.

Разница между ними в том, что с помощью показывающего измерительного прибора можно только считывать значения измеряемой величины, а конструкция регистрирующего измерительного прибора позволяет еще и фиксировать результаты измерения, например посредством диаграммы или нанесения на какой-либо носитель информации.

Рабочие приборы предназначены только для измерения во всех областях хозяйственной деятельности.

Образцовые приборы служат для поверки и градуирования рабочих приборов. Погрешность измерения образцовых приборов на 1—2 порядка меньше по сравнению с рабочими приборами.

Стоимость прибора напрямую связана с погрешностью измерения: если прибор имеет погрешность в 10 раз меньше, то стоит такой прибор в 10 раз дороже. Использовать образцовые приборы для массовых измерений экономически нецелесообразно, поэтому в лабораториях учебных заведений и на производстве применяются в основном рабочие приборы.

Шкала - это система отметок и соответствующих им последовательных числовых значений измеряемой величины.

Главные характеристики шкалы:

1) количество делений на шкале;

2) длина деления;

3) цена деления;

4) диапазон показаний;

5) диапазон измерений;

6) пределы измерений.

Деление шкалы - это расстояние от одной отметки шкалы до соседней отметки.

Длина деления - это расстояние от одной осевой до следующей по воображаемой линии, которая проходит через центры самых маленьких отметок данной шкалы.

Цена деления шкалы (постоянная прибора), С, указывает число единиц измеряемой величины, приходящееся на одно деление шкалы (рис.1.5):

Рис. 1.5. Определение цены деления шкалы

 

(1.3),

где А₁, А₂ — соседние оцифрованные деления;

n — количество делений между двумя цифрами.

Диапазон показаний шкалы - это область значений шкалы, нижней границей которой является начальное значение данной шкалы, а верхней - конечное значение данной шкалы.

Диапазон измерений - это область значений величин в пределах которой установлена нормированная предельно допустимая погрешность.

Пределы измерений - это минимальное и максимальное значение диапазона измерений.

Шкалы аналоговых измерительных приборов (АИП) классифицируются по следующим признакам:

1. По признаку равномерности различают:

- равномерная шкала — это шкала с делениями постоянной длины и с постоянной ценой деления (рис. 1.6, а). Такую шкалу имеют электромеханические приборы только магнитоэлектрической системы;

- неравномерная шкала — это шкала с делениями непостоянной длины и с непостоянной ценой деления (рис. 1.6, б). Такую шкалу имеют электромеханические приборы выпрямительной, электромагнитной, электродинамической, ферродинамической, электростатической, термоэлектрической систем.

 

Рис. 1.6. Шкалы аналоговых приборов: равномерная (а), неравномерная (б), прямая (б), обратная (г), односторонняя (с)), двухсторонняя (е), безнулевая (ж)

 

2. По признаку направления градуирования различают:

- прямая шкала градуирована слева направо, т.е. нуль на шкале расположен слева (рис 1.6, в). Такая шкала является самой распространенной в АИП;

- обратная шкала градуирована справа налево, т.е. нуль на шкале расположен справа (рис. 1.6, г). Такая шкала используется, например, в аналоговых мультиметрах при отсчете значения сопротивления резисторов и емкости конденсаторов.

3. По положению нуля на шкале и направлению движения стрелки индикатора различают:

- односторонняя шкала — это шкала, стрелка индикатора которой при измерении отклоняется только в одну сторону от нуля (рис. 1.6, д). Такая шкала является самой распространенной;

- двухсторонняя шкала — это шкала, стрелка индикатора при измерении которой отклоняется как влево, так и вправо от нуля. Причем отклонение влево от нуля дает отрицательные значения измеряемой величины, а отклонение вправо - положительные (рис. 1.6, е). Такую шкалу имеют индикаторы аналоговых измерительных мостов и гальванометры;

- безнулевая шкала — это шкала, на которой отсутствует нулевая отметка (рис. 1.6, ж). Такую шкалу имеют электромеханические частотомеры, генераторы, градуированные по частоте, длительности импульсов, временному сдвигу.

Измерительная установка - это средство измерения, представляющее собой комплекс мер, измерительных преобразователей, измерительных приборов и прочее, выполняющих схожие функции, используемые для измерения фиксированного количества физических величин и собранные в одном месте. В случае, если измерительная установка используется для испытаний изделий, она является испытательным стендом.

Измерительная система - это средство измерения, представляющее собой объединение мер, измерительных преобразователей, измерительных приборов и прочее, выполняющих схожие функции, находящихся в разных частях определенного пространства и предназначенных для измерения определенного числа физических величин в данном пространстве.

По метрологическому предназначению средства измерения делятся на:

1) рабочие средства измерения;

2) эталоны.

Рабочие средства измерения - это средства измерения, используемые для осуществления технических измерений. Рабочие средства измерения могут использоваться в разных условиях.

Выделяют:

1) лабораторные средства измерения, которые применяются при проведении научных исследований;

2) производственные средства измерения, которые применяются при осуществлении контроля над протеканием различных технологических процессов и качеством продукции;

3) полевые средства измерения, которые применяются в процессе эксплуатации самолетов, автомобилей и других технических устройств.

К каждому отдельному виду рабочих средств измерения предъявляются определенные требования. Требования к лабораторным рабочим средствам измерения - это высокая степень точности и чувствительности, к производственным - высокая степень устойчивости к вибрациям, ударам, перепадам температуры, к полевым - устойчивость и исправная работа в различных температурных условиях, устойчивость к высокому уровню влажности.