Глава 2. Методы и средства измерений

Метод измерений – совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей измерений.

Наиболее распространены следующие методы измерений.

Прямые измерения – искомое значение измеряемой величины получают непосредственно путем сравнения физической величины с мерой, проградуированной в единицах измеряемой физической величины. Например, измерение массы товара путем сравнения ее на весах с массой мерных гирь, измерение длины детали сравнением ее с измерительной линейкой, проградуированной в единицах длины.

Косвенные измерения – значение измеряемой величины определяют на основании результатов, как правило, прямых измерений других физических величин, функционально связанных с измеряемой величиной. Например, определение скорости (V) движения автомобиля по результатам измерения времени движения (T) автомобиля, числа оборотов (N) колеса автомобиля с диаметром окружности колеса (D) и длиной окружности ( π D) на основании зависимости

 

V = ( π D · N) /T.

Совокупные измерения - искомое значение измеряемых величин определяют на основании результатов нескольких измерений сочетаний измеряемых величин, как решение системы независимых алгебраических уравнений, в левой части которых - сочетание неизвестных искомых измеряемых величин, а в правой результат, как правило, прямых измерений сочетаний искомых измеряемых величин, представленных в левой части.

Совместные измерения – измерения, проводимые одновременно для нескольких разноименных физических величин с целью нахождения функциональной зависимости между этими физическими величин.

 

 

Измерения классифицируются:

· по точности – равноточные (ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности приборами и в одним и тех же условиях), неравноточные (ряд измерений какой-либо величины, выполненных несколькими различными по точности приборами и (или) в разных условиях);

· по числу измерений в одном метрологическом эксперименте – однократные и многократные;

· по зависимости измеряемой величины от времени – статические измерения (значение измеряемой физической величины не зависит от времени, например измерение размеров земельного участка), динамические измерения (значение измеряемой физической величины изменяется во времени, например, измерение высоты взлетающего самолета);

· по выражению результата измерений – абсолютные (измерение, основанное на прямых измерениях величин и (или) использовании значений физических констант, например, измерение расстояния между объектами оптическим методом, используя в расчетах скорость света) и относительные (измерение отношения величины к одноименной величине, выполняющей роль единицы измерения).

Средством измерений (СИ) называют техническое устройство с нормированными метрологическими характеристиками.

Средства измерений подразделяют на меры, измерительные устройства (измерительные преобразователи и приборы), измерительные установки, измерительные системы (рис.1).

 

 

 

Рис.1

Меры физической величины – средства измерений предназначен­ные для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров. Различают меры однозначные (гиря, калибр, конденсатор постоянной емкости), многозначные (масштабная линейка, конденсатор переменной емкости), наборы мер (набор гирь, набор калибров). Набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях, называется магазином мер. Сравнение с мерой выполняют с помощью специальных технических средств – компараторов (рычажные весы, измерительный мост и т.д.)

Измерительные устройства различают на измерительные преобразователи и измерительные приборы (рис.2).

Измерительные преобразователи (ИП) – средства измерений служащие для преобразования измеряемой величины в другую величину или сигнал измерительной информации, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований. По характеру преобразования различают аналоговые, цифро-аналоговые, цифровые ИП. По месту в измерительной цепи различают первичные (на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина) и промежуточные (занимающий место в измерительной цепи после первичного) ИП.

 

Рис.2

Первичный (первый в измерительной цепи) ИП, размещаемый на объекте измерения и формирующий первичные (естественные) сигналы измерительной информации, как правило, называют датчиком. Первичный ИП (датчик) может располагаться на значительное расстояние от последующих ИП. Например, датчики метеорологического зонда, который несет газонаполненный шар, передают информацию о температуре, давлении, влажности и других параметрах атмосферы по радиоканалу на наземный измерительный комплекс расположенный на расстоянии десятков километров.

Если преобразователи, не входят в измерительную цепь и их метрологические свойства, не нормированы, то их не относят к измерительным, например, силовой трансформатор системы электропитания измерительной аппаратуры, преобразующий уровень напряжения, не является измерительным преобразователем.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для преобразования измеряемой физической величины и ее отображения (индикации) в форме, наиболее удобной для восприятия оператором. Устройство индикации, с помощью которых производится отсчет значений физической величины, выполняется в виде шкалы со стрелкой, самописца с бумажным носителем или цифровое дисплея. Измерительные приборы подразделяют на показывающие и регистрирующие. Показывающий прибор допускает только отсчитывание показаний измеряемой величины на устройстве индикации, регистрирующий прибор дополнительно осуществляет регистрацию показаний на бумажном, магнитном, оптическом или ином устройстве хранения информации.

Измерительные устройства, используемые в промышленной автоматике, как правило реализуются по схемам прямого (рис.3) или уравновешивающего (рис.4) преобразования.

 

 

 

 

Рис.3

 

 

 

 

Рис.4

 

На схемах 1- первичный измерительный преобразователь, 2,3 …N - промежуточные измерительные преобразователи.

 

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других вспомогательных ус­тройств, предназначенных для измерений одной или нескольких физических величин, как правило косвенным методом. Примером является установка для из­мерения электрического сопротивления электротехнических материалов, путем пропускания через образец стабильного электрического тока и расчета сопротивления по результатам измерения этого тока и измеренного падения напряжения на образце.

Измерительная система (ИИС) – совокупность мер, измерительных прибо­ров, измерительных преобразователе, средств ввода - вывода информации, ЭВМ, информационных линий связи и других технических средств, функционально объединенных с целью обеспечения автоматического измерения, сбора, обработки, хранения и передачи потребителям информации об одной или нескольких физических величинах, поступающей от датчиков (измерительных преобразователей), характеризующих состояние объекта или процесса и формирование сигналов индикации и управления в виде удобном для использования. Примером может служить система определения местоположения летательных аппаратов, состоящая из ряда информационно - измерительных подсистем, включающих датчики, работающие на различных физических принципах, специализированную бортовую вычислительную машину, оптоволоконные линии связи и т.д.

По метрологическому назначению все средства измерения подразделяются на два вида – рабочие средства измерения и эталоны. Рабочие средства измерения (РСИ) - средства измерения, предназначенные для проведения технических измерений непосредственно на объекте измерения, - производстве, на подвижных объектах и т.д. Эталон – комплекс технических средств, предназначенный для централизованного воспроизведения и хранения единиц измерения физических величин.