Средства и методы измерений. Их виды, классификация.

Средства измерения определяются как технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики.

Средства измерения делятся на группы (в зависимости от характера участия в процессе измерения): меры, измерительные преобразователи; измерительные приборы; измерительные установки, измерительные системы

Мера – средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины данного размера. Могут быть однозначные, многозначные и наборы мер (гири, катушки, сопротивления, емкости; многозначные ~С, ~R, ~L).

Измерительные преобразователи – средства измерения, предназначенные для выработки сигнала измеряемой информации в форме удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки, хранения. Он преобразует одну физическую величину в другую, входную в выходную. Они являются основой для построения сложных измерительных устройств, приборов, систем и т.д.

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных средств измерения, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия оператором и расположенная в одном месте. Может реализовывать функции меры, измерительного прибора, измерительного преобразователя.

Измерения в зависимости от их вида разделяются на четыре класса: прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямое – измерение, при котором искомое значение величины находится непосредственно из опытных данных

Косвенное – измерение, при котором искомое значение величины находя на основание известной зависимости между этой величиной и величинами подвергаемыми прямым измерениям.

Совокупные измерения – это производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомое значение величин находят путем решения систем уравнений, полученных при прямых измерениях различных сочетаний этих

Совместные измерения производятся одновременно над двумя или несколькими не одноименными величинами для нахождения зависимости между ними.

Существуют различные методы измерения

Метод измерения определяется совокупностью приемов использования принципов и средств измерения. Метод измерения подразделяется на метод непосредственной оценки и метод сравнения.

Метод непосредственной оценки характеризуется тем, что отсчет значения измеряемой величины производится непосредственно по отсчетному устройству измеряемого прибора.

Метод сравнения предполагает проводить операцию сравнения измеряемой величины с мерой в каждом измерении (например, измерение с использованием гирь). Сравнение производят различными способами: нулевой, дифференциальный, замещения, совпадения.

Нулевой метод – результирующий эффект воздействия измеряемой величины и известной величины на прибор сравнения доводят до нуля Дифференциальный метод – это метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой. В отличие от нулевого метода, здесь разность полностью не уравновешивается.

Метод замещения – это метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной воспроизводимой мерой. Например, это метод измерения емкости С включенного в колебательный контур. Изменяя частоту f напряжения достигают резонанса контура, затем включается вместо С_Х известная С_0~U изменяя его величину при той же f_р определяют С_Х÷ С_0~

Метод совпадения – это метод сравнения с мерой в котором разность между измеряемой величиной и величиной воспроизводимой мерой измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов

Погрешности измерений.

Истинные значения физических величин – это значения, идеальным образом отражающие свойства данного объекта как в количественном, так и в качественном отношении

Разница между результатами измерения и истинным значением измеряемой величины называется погрешностью измерения.

Во-первых, погрешность может быть связана с несовершенством применяемого метода измерения (методическая погрешность).

Во-вторых, погрешность может быть обусловлена несовершенством используемых средств измерения (инструментальная погрешность), а также условий проведения измерения (влияние различных внешних факторов).

Инструментальная погрешность подразделяется на основную и дополнительную.

Основной погрешностью называется погрешность средств измерений в условиях, которые установлены нормативно-техническими документами как нормальные для данных измерений.

Дополнительными погрешностями называют изменения погрешности средства измерений, вызванные отклонениями влияющих величин от нормальных значений или их выходом за пределы нормальных областей значений

Погрешность может возникнуть из-за индивидуальной физиологии оператора (близорукость или наоборот дальнозоркость и т.п.) – это так называемая субъективная погрешность.

В зависимости от закономерности проявления погрешности могут быть систематические и случайные.

Систематическая – это такая погрешность, когда определенная составляющая часть погрешности остается постоянной или изменяется закономерно при всех повторных измерениях одной и той же величины.

Случайная – погрешность, при которой изменяется составляющая часть погрешности случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины.

К разряду погрешностей следует отнести грубые погрешности или промахи.

Грубая погрешность измерения – погрешность, существенно превышающая ожидаемую. Результаты с грубыми погрешностями обнаруживают с помощью специальных статистических критериев и исключают из рассмотрения.

Промах – следствие неисправности средства измерений, нарушение правил его применения, ошибочного считывания показаний, их записи, и т. п. Промахи обнаруживаются непосредственно в процессе выполнения измерений.

В некоторых случаях в процессе измерения происходит отклонение реальной характеристики СИ от номинального значения. При этом возникают аддитивная (не зависящая от измеряемой величины; «нулевая» погрешность) и мультипликативная (зависящая от измеряемой величины) погрешности.

Абсолютная погрешность равна разности между значением, полученным при измерении, и его истинным значением:

,

где x – полученное (измеренное) значение,

x _ист – истинное значение измеряемой величины.

Относительная погрешность:

или как правило выражается в процентах.

Для сравнения приборов и устройств с различными пределами измерения вводится понятие приведённой погрешности

, где x _ном – нормирующее значение.

Погрешности измерительных средств принято подразделять на статические, имеющие место при измерении постоянных величин после завершения переходных процессов в элементах приборов и преобразователей, и динамические, появляющиеся при измерении переменных величин и обусловленные инерционными свойствами средств измерений.

Поверка – это сличение показаний средства измерения с показателями более точного средства измерения.

4 Структурные схемы измерительных приборов, схемы последовательного преобразования, дифференциальные схемы.

а) Последовательная схема соединения преобразователей.

Простейшая схема – схема последовательного преобразования. Это схема, в которой входная величина каждого последующего преобразователя меняется выходной величиной предыдущего. Входная величина 1 преобразователя – измеряемая величина. Различные преобразователи могут различаться по сложности. Рассмотрим схему последовательного преобразователя, показанную на рисунке.

S – чувствительность i- го преобразователя.

Чувствительность преобразователя, имеющего последовательно соединенные звенья, определяется следующим образом:

Приведенная погрешность схемы последовательного преобразования определяется как сумма приведенных погрешностей отдельных звеньев.

где – приведенная погрешность i- го звена.

Формула (4) применима для случайных систематических погрешностей.

Для случайных погрешностей, если функция преобразования пропорциональная (линейная), приведенная среднеквадратическая погрешность схемы определяется как

где – приведенная среднеквадратическая погрешность соответствующего элемента.

Достоинства схемы последовательного преобразования – простота, дешевизна. Недостатком является высокая погрешность.

б) Дифференциальная схема соединения преобразователей.

Дифференциальная схема состоит из двух каналов с последовательно соединением преобразователей, причем выходные сигналы каждого канала подаются на два входа вычитающего преобразователя. Вычитающий преобразователь имеет два входа, а выход – разность величин этих входов.

Дифференциальная схема соединения преобразователей показана на рисунке.

 

Оба канала делаются одинаковыми по чувствительности и погрешности. Дифференциальные схемы могут работать в двух режимах:

Первый режим – измеряемая величина воздействует на вход одного канала (x₁); на вход другого канала (x₂) – действует физическая величина той же природы, но имеющее постоянное значение (например, равна ”0”). Второй канал компенсирует погрешность, вызываемую условиями работы прибора.

Второй режим – измеряемая величина после определенных преобразований поступает на оба канала, но различна по знаку или по модулю.

Для первого случая включения чувствительность схемы

где – чувствительность каждого канала.

Для схемы второго типа чувствительность в 2 раза больше.

При наличии аддитивных составляющих погрешностей

Где – аддитивная составляющая погрешностей, а они равны между собой, так как каналы идентичны, тогда

т. е. в дифференциальных схемах аддитивные составляющие погрешностей взаимокомпенсируются.