МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

4.1. Понятия и определения, используемые в измерительной тех­нике

Под измерением понимают информационный процесс получения опытным путем численного соотношения между измеряемой величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения.

Сущность измерения заключается в наборе экспериментальных и вычислительных операций. Математическая сущность процесса измере­ния представляется выражением:

, (4.1)

где X - числовое значение измеряемой величины А, показывающее во сколько раз она больше или меньше единицы измерения а.

Измерения разделяют на 4 вида: прямые, косвенные, совокупные и совместные.

При прямых измерениях значение измеряемой величины определя­ется непосредственным сравнением с ее единичным значением. Приме­ром прямых измерений является измерение веса на весах с набором гирь. В этом случае искомое значение измеряемой величины находят непосредственно из опытных данных.

При косвенных измеренияхизмеряемая величина определяется не непосредственно, а на основании измерения другой величины или ряда величин, функционально связанных с искомой. Примером косвенного намерения является определение плотности воды, заключающееся в прямом измерении трех величин: массы, объема и температуры, а за­тем в вычислении по известным формулам значения плотности.

При совокупном измерении сначала производят прямые измерения совокупности однородных величин, а затем вычисляют числовое значе­ние измеряемой величины путем решения ряда уравнений. Число таких уравнений должно быть равно или больше числа неизвестных величин. Совокупные измерения в большинстве случаев применяют в лаборатор­ной и исследовательской практике.

Совместные измеренияаналогичны совокупным для неоднородных
величин.

Любое измерение завершается получением результата. Результат измерения- это определенное число, найденное путем измерения ис­комой величины. Результат не всегда отражает действительное значе­ние искомой величины. Поэтому одной из основных задач измерения является оценка степени близости или разности между истинным и действительным значением измеряемой величины. Такую оценку харак­теризует погрешность измерения.

Погрешность измерения- это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Погрешность измерения характеризует его точность.

Точность измерения- это степень близости результата измере­ния к истинному значению измеряемой величины.

Погрешность измерения зависит от целого ряда факторов:

а) принципа измерения,

б) обоснованности измерительного эксперимента,

в) используемого средства измерения,

г) количества измерительной информации.

Принцип измерения- это совокупность, физических явлений, по­ложенных в основу измерения.

Измерительный эксперимент- это заранее запланированный и на­учно обоснованный опыт для получения информации с требуемой точ­ностью измерения. Проведение измерительного эксперимента предпола­гает наличие средств измерений.

Средства измерений- это технические устройства, используемые в измерительном эксперименте и имеющие определенные характеристики точности.

Измерительная информация- это сведения о свойствах объекта, получаемые с помощью средств измерений. Количество измерительной информации - это численная мера, характеризующая точность оценки свойств измеряемого объекта.

Взаимодействие средств измерений и измеряемого объекта в про­цессе эксперимента предполагает наличие сигналов, являющихся носи­телями информации. Таким образом, измерительный сигналфункцио­нально связан с измерительной величиной. Наиболее удобными сигна­лами в измерительной технике являются радиоволны, электрический ток, напряжение и другие.

4.2. Классификация методов и средств измерения

Метод измерения - это совокупность приемов использования принципов и средств измерения.

Существует семь основных методов измерения: непосредственной оценки, сравнения с мерой, противопоставления, дифференциальный, нулевой, замещения и метод совпадений.

При методе непосредственной оценки результат измерения опре­деляется по отсчетному устройству средства измерения. На этом ме­тоде основаны все стрелочные устройства, однако он имеет низкую точность.

При методе сравнения с мерой результат измерения оценивается по сравнивающему устройству. Например, измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями.

При методе противопоставления устанавливают соотношение между измеряемой величиной и мерой путем их сравнения. Например, в

фотоэлектроколориметрах при измерении мутности или цветности воды сравнивается ин­тенсивность света, прошедшего через измеряемую пробу, с аналогич­ной интенсивностью света, прошедшего через чистую (дистиллирован­ную) воду.

Дифференциальный метод заключается в подаче разностного сиг­нала между измеряемой величиной и мерой на вход средства измерения.

Нулевой метод заключается в регистрации разности между изме­ряемой величиной и мерой. Затем с помощью специального устройства эту разность доводят до нулевого значения по сравнивающему уст­ройству.

При методе замещения измеряемая величина определяется путем замещения ее известной мерой.

При методе совпадений разность между измеряемой величиной и мерой определяется по совпадению меток или периодических сигналов.

Для реализации методов измерения применяются следующие виды средств из­мерения: мера, измерительный преобразователь, измерительный при­бор, вспомогательное средство измерения, измерительная информаци­онная система.

Мера- это средство для воспроизведения величины в единицах измерения или в виде отдельных кратных единиц. Меры бывают одноз­начные или многозначные.

Измерительный преобразователь - это средство измерения, пред­назначенное для выработки сигнала измерительной информации. В большинстве случаев такой сигнал не поддается непосредственному восприятию наблюдателем.

Измерительный прибор - это средство измерения, предназначен­ное для выработки сигнала измерительной информации в удобной для восприятия наблюдателем форме.

Вспомогательные средства измерения представляют собой сово­купность различных вспомогательных элементов, предназначенных для работы с измерительными приборами. Например, соединительные прово­да, шунты, колбы, пробирки, кюветы и другие.

Измерительная информационная система - это средство измере­ния, предназначенное для представления информации об измерении в виде, удобном для ее использования в системах управления и регули­рования.

4.3. Основные характеристики средств измерений

Оценку эффективности применяемых средств измерений в боль­шинстве случаев осуществляют по четырем основным характеристикам: точность, чувствительность, надежность, быстродействие.

Под точностью понимается степень приближения результатов из­мерения к истинному значению измеряемой величины. Иногда применяют понятие "погрешность", представляющее собой степень отклонения по­казаний средства измерения от действительного значения измеряемой величины.

Существуют понятия абсолютной погрешности, относительной пог­решности и приведенной погрешности.

Абсолютная погрешность - это разность между показаниями средства измерения у и истинным значением измеряемой величины х, имеющим ее размерность:

∆ = У – Х

Относительная погрешность представляет собой отношение аб­солютной погрешности к истинному значению измеряемой величины. Обычно относительную погрешность определяют в процентах:

δ = ∆ /Х * 100

Приведенная погрешность представляет собой отношение мак­симального значения абсолютной погрешности ∆_mах к максимальному значению шкалы средства измерения у_max:

Δ_пр = |∆| maх/y_max

Чувствительностью называют отношение выходной величины средства измерения У к входной Х:

S = ∆ У/ ∆ Х

Существует также понятие порога чувствительности: наименьшее значение входного сигнала, при котором четко обнаруживается изме­нение выходного сигнала.

Под надежностью средства измерения понимается сохранение его характеристик точности в заданных пределах в установленный период его эксплуатации. Важнейшей количественной характеристикой надеж­ности является вероятность безотказной работы, которая характери­зуется соотношением:

р(t) = р( ≥t)

где р(t) - вероятность того, что данное средство измерения будет работоспособно в рассматриваемый промежуток времени;

- время от момента включения средства измерения в работу до момента, когда оно перестало отвечать своим метрологическим пара­метрам;

t - рассматриваемый промежуток времени.

В технических условиях на любое средство измерения указывают­ся требования надежности. Например, за t = 1000 часов величина р(t) должна быть не менее 0,85.

Быстродействие средства измерения характеризуется числом из­мерений в единицу времени.

Важнейшей обобщающей характеристикой средств измерений явля­ется класс точности, который характеризует свойства средств изме­рений, но не является непосредственной характеристикой точности.

Стандарт [16] устанавливает два класса точности. Первый - нормирует абсолютные погрешности. В этом случае классам точности присваиваются порядковые номера, которые носят условный характер и не связаны с пределом допустимой погрешности. Второй - нормирует относительные или приведенные погрешности измерений. Для второго класса точности существует связь между обозначением класса и конк­ретным значением предела допустимой погрешности.

4.4. Измерительные сигналы

Измерительный сигнал- это физический процесс, отражающий состояние некоторой системы [17]. Различают два типа сигналов: об­разцовые и измерительные.

Образцовыминазываются сигналы, характеристики которых из­вестны. При измерении на вход средства информации воздействуют со­ответствующими образцовыми сигналами, а измеряют сигналы на выхо­де, отражающие свойства изучаемого объекта.

Измерительные сигналы характеризуются неопределенностью зна­чений некоторых своих параметров. Если между параметрами сигнала и измеряемой величиной существует известная функциональная связь, то этот параметр называют информативным. Если такой связи нет, то па­раметр называют неинформативным.

Сигналы на выходе средства информации называют выходными, а на входе - входными. Информативные параметры этих двух видов сиг­налов функционально связаны между собой.

По принадлежности к разным физическим процессам сигналы раз­деляют на механические, электрические, магнитные, тепловые, акус­тические и световые. В зависимости от характера изменения во вре­мени и пространстве различают постоянные и переменные сигналы. Кроме того сигналы могут быть непрерывными и дискретными.

Дата добавления: 2014-10-02; просмотров: 375; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!