Группы технических измерений

Измерительные процедуры (измерения) классифицируются по различным признакам. В зависимости от требуемой точности, все измерения делятся на следующие виды:

- метрологические;

- контрольно-поверочные;

- технические.

Метрологические измерения разрабатываются и производятся с целью получения максимально возможной, при существующем уровне развития науки и техники, точности. Примерами могут служить измерение физических констант, все эталонные измерения по сличению, например, государственных эталонов с международными, специальные измерения, требующие наивысшей точности.

Контрольно-поверочные измерения – измерения, погрешности которых должны быть не более заданных величин. Их выполняют при периодических поверках средств измерений, а также после их ремонта, при серийном выпуске и при разработке новых средств и методик измерения.

Технические измерения – измерения, при которых погрешность результата определяется характеристиками технических измерительных средств. Это самые распространенные, массовые измерения, выполняемые при научных исследованиях и на производстве во всех областях деятельности человека.

В данном пособии ограничимся рассмотрением только технических измерений и не будем касаться вопросов контрольно-поверочных, а тем более метрологических измерений, которыми пользуются метрологические службы предприятий, региональные лаборатории и научно-технические объединения Комитета по стандартизации, метрологии и сертификации РФ.

Группы технических измерений

1. В зависимости от объема априорных сведений об объекте, все измерения можно объединить в две группы.

Группа 1.Измерения параметров объектов или процессов, модели которых известны. То есть объектов, описанных с физической и технической точек зрения, но с неизвестными количественными данными совокупности параметров. Например, известно, что напряжение в сети можно представить в виде

u(t) = U_msin( t + ).

В этом случае конечной целью измерения является – получение количественных значений параметров U, U_ср, U_m, , или одного из них.

Группа 2. Измерения параметров объектов или процессов, физические и технические свойства которые известны лишь приближенно. В этих ситуациях целью измерения является уточнение модели объекта по полученным количественным данным о некоторой совокупности параметров. Например, неизвестна форма переменного напряжения (sin или не sin). В этом случае для уточнения формы этого напряжения (модели объекта) необходимо измерить действующее значение напряжения U и его среднее значение U_ср и вычислить коэффициент формы К_ф=U/U_ср (он должен быть равен 1,11 для синусоиды, если К_ф¹1,11, то напряжение несинусоидально). Такие измерения более сложны и трудоемки и предъявляют соответствующие требования к квалификации оператора и к качеству СИ.

2. По способу использования измерительной информации во времени измерения делятся на две группы:

- измерения с реализацией результатов в реальном масштабе времени;

- измерения с использованием полученной информации с задержкой во времени с целью, например, ее накопления для дальнейшей обработки.

В первом случае в качестве определяющих оказываются следующие характеристики измерения: быстродействие и оптимальная организация ввода измерительной информации в устройства ее обработки. Примерами могут служить все измерения в системах автоматического регулирования и управления.

Во втором случае требуется организация накопления и хранения измерительной информации. Например, при исследованиях и испытаниях проектируемых или серийно выпускаемых изделий.

3. В зависимости от режима работы измерительных средств во времени, различают статические и динамические измерения.

К статическим измерениям относят измерения, при которых измеряются постоянные, установившиеся или усредненные во времени значения физических величин, и СИ работают со значительным временем усреднения, то есть – в статическом режиме.

К динамическим измерениям относятся такие, при которых измеряются “мгновенные” значения физических величин и СИ работает в динамическом режиме, то есть с малым временем измерения (усреднения), значительно меньшим времени заметного изменения сигнала.

К статическимизмерения, например, относятся измерения средних или действующих значений переменных величин (токов, напряжений и т. д.).

Типичным примером динамических измерений является регистрация (запись) изменения величины во времени на носитель информации. При этом возникают так называемые динамические погрешности (амплитудная и фазная), искажающие представление о действительном характере изучаемого процесса.

4. В зависимости от степени воздействия случайных факторов на измеряемые параметры или на показания СИ, измерения выполняются однократно или многократно.

Измерения, выполненные с однократными наблюдениями, называются единичными или обыкновенными.

Измерения, выполняемые с многократными наблюдениями, часто называют статистическими.

Необходимость выполнения однократных и многократных измерений определяются характером сигнала или величиной случайной составляющей погрешности СИ.

Однократные измерения можно применять только в случае, когда сигнал является детерминированным и на показание прибора не оказывают заметного воздействия случайные факторы. При этом повторение измерений приводит к одному и тому же результату.

Статистические измерения выполняются, когда показания прибора изменяются случайным образом, вследствие случайных погрешностей средств измерений или нестабильности параметров объекта. Эти измерения требуют математической обработки результатов наблюдений. Кстати, следует различать нестабильность показаний прибора и нестабильность параметров изучаемых объектов.

5. По виду уравнения измерения все технические измерения делятся на следующие группы:

- прямые;

- косвенные;

- совместные;

- совокупные.

Прямыми называют измерения, уравнения которых имеют вид (для аналоговой измерительной техники):

X = n×C,

где X - измеряемая величина; n - число делений, на которое отклонился указатель;

C - цена одного деления.

Прямое измерение - измерение, при котором искомое значение ф.в. находят непосредственно из опытных данных.

Прямые измерения выполняют при помощи приборов проградуированных в установленных единицах физических величин или при непосредственном сравнении с мерой. Например, изменение тока, напряжения соответственно амперметром и вольтметром.

Градуировка –экспериментальное определение градуировочной характеристики средства измерений или операция нанесения отметок на шкалу. Иногда вместо термина “градуировка” применяют термин “тарировка”. Последний не рекомендуется к применению.

Обычно прямые измерения просты и не требуют дополнительных операций для получения числового значения физической величины. Однако постановка прямых измерений может сопровождаться сложностью эксперимента или может оказаться невозможной.

Косвенными измерениями называют измерения, уравнения которых представляют измеряемую величину в виде явной функции одного или нескольких аргументов.

В число последних могут входить величины, измеряемые прямым путем, а также постоянные (физические константы, поправки).

Уравнение косвенных измерений имеет вид

= f(Y,Z,V…a,b,c),

где Y,Z,V – измеряемые величины; a,b,c – постоянные.

Косвенное измерение - измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям.

ПРИМЕР 1. Определение плотности однородного тела по его массе и геометрическим размерам (объему).

ПРИМЕР 2. Определение удельного электрического сопротивления материала провода r по его сопротивлению R, длине l и площади поперечного сечения S:

r = R

ПРИМЕР 3. Определение электрического сопротивления участка цепи по току и падению напряжения, то есть с помощью вольтметра и амперметра.

ПРИМЕР 4. Количество тепла, выделяемого в резисторе за известное время проще оценить по формуле:

Q = kI²Rt.

По значениям I, R, t, непосредственно измеряемым соответствующими приборами.

ПРИМЕР 5. При отсутствии расходомера расход жидкости V через трубопровод можно оценить, измерив количество жидкости Q в мерном цилиндре, за время t по формуле:

V=Q/t.

Обычно косвенные измерения применяются в тех случаях, когда значения физических величин невозможно измерить непосредственно, а также в тех случаях, когда путем косвенных измерений можно получить более точный результат, чем при прямом измерении.

Совместными измерениями называются измерения одновременно двух или нескольких величин, уравнения, измерения которых образуют систему независимых уравнений:

.

Функции F₁ и F₂ могут быть как одинаковыми, так и разными. Величины y_1, z₁ …; y₂ , z₂ измеряются прямым путем, то есть непосредственно, а X и – вычисляются.

При таких измерениях минимальное число опытов, очевидно, должно быть равно числу неизвестных величин.

Например, еще из школьной физики нам известна зависимость проводников от температуры

R_т = R₀ + .

Ставится задача определить и R₀ ( есть ТКR, R₀ – сопротивление при температуре20 ⁰С).

Для этого составляется система уравнений

.

Измеряя прямым путем, сопротивления R_т1 и R_т2 и температуры Т₁ и Т₂, и решая систему уравнений, находят значения R₀ и температурного коэффициента сопротивления .

Совокупные измерения – вычисление искомой величины с помощью известных физических зависимостей этой величины и величин измеряемых непосредственно.

Для выполнения таких измерений составляется система уравнений.

Например, сопротивление отрезка провода R можно вычислить по следующим формулам:

.

Здесь U – напряжение, I – ток, Р – мощность, падающая на сопротивлении провода.

Искомое значение R вычисляется как среднее арифметическое значение из результатов, полученных по формулам.

Для нашей системы уравнений:

R_ср= .

6. В зависимости от соотношения между точностными характеристиками СИ, совместно применяемых при измерениях, например, в измерительных и испытательных установках, различают:

- равноточные измерения;

- неравноточные измерения;

Предпочтительны равноточные измерения. Однако не всегда имеется возможность укомплектования измерительных установок, а также рабочих мест соизмеримыми по точности средствами измерений.