Метрология. МССИ. Министерство транспорта российской федерациифедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
 Скачать 1.29 Mb.
|
|
R= U/I. Из косвенных измерений выделяют совокупные и совместные, при которых значения нескольких физических величин определяются на основе прямых или косвенных измерений других физических величин. Совместные измерения характеризуются тем, что одновременно проводятся измерения двух или нескольких разноименных величин для нахождения зависимости между ними. Например, совместное измерение нескольких значений температуры T и сопротивления терморезистора R в целях определения его температурной зависимости R (T) . Совокупные измерения – это проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях и различных сочетаниях этих величин. Примером совокупных измерений может служить нахождение сопротивлений двух резисторов R 1 и R 2 25 по результатам измерений сопротивлений последовательного и параллельного соединений этих резисторов. Искомые значения сопротивлений находят из системы двух уравнений. Абсолютные измерения – измерения, основанные на прямых измерениях одной или нескольких величин и использовании значений физических констант, например, измерения силы тока в амперах. Относительные измерения – измерения отношения значения физической величины к одноименной величине или измерения значения величины по отношению к одноименной величине, принятой за исходную. К статическим измерениям относят измерение, при котором средство измерения работает в статическом режиме, т. е. когда его выходной сигнал (например, отклонение указателя) остается неизменным в течение времени измерения. К динамическим измерениям относят измерения, выполненные средством измерения в динамическом режиме, т. е. когда его показания зависят от динамических свойств. Динамические свойства средства измерения проявляются в том, что уровень переменного воздействия на него в какой-либо момент времени обуславливает выходной сигнал средства измерения в последующий момент времени. 1.3.4. Методы измерений Как и измерения любых физических величин, измерения в технике ТКС базируются на определенных принципах. Совокупность приемов использования принципов и средств измерений определяется как метод измерений, являющийся одной из основных характеристик конкретных измерений. Отметим, что метод измерения должен по возможности иметь минимальную погрешность и способствовать исключению систематических погрешностей. Методы измерений подразделяют на метод непосредственной оценки и метод сравнения (рис. 1.2). 26 Рис. 1.2. Классификация методов измерений При методе непосредственной оценки численное значение измеряемой величины определяется непосредственно по показанию измерительного прибора (например, измерение напряжения с помощью вольтметра). Это наиболее распространенный и наиболее оперативный метод измерения, хотя точность измерения обычно ограничена. Метод сравнения – метод измерения, при котором измеряемая величина Y сравнивается с одноименной величиной Y m , воспроизводимой мерой. Процедура сравнения обычно сводится к получению разности Y r (иногда отношения) между величинами Y и Y m . При этом на два выхода сравнивающего устройства поступают сигналы Y и Y m , а на его выходе получают результат сравнения Y r = Y – Y m Метод сравнения предполагает наличие обратной связи, осуществляемой вручную или автоматически, так как значение Y m , поступающее на вход сравнивающего устройства, обычно должно изменяться в зависимости от значения Y r на выходе устройства. По сравнению с методом непосредственной оценки, метод сравнения обеспечивает более высокую точность измерений. Метод сравнения имеет несколько разновидностей. Нулевой метод, который состоит в том, что результирующий эффект воздействия Y r величин Y и Y m на устройство сравнения доводят до нуля путем изменения величины Y m . Очевидно, что тогда Y = Y m , и значение измеряемой величины отсчитывается по шкале меры. Метод применяется, например, при измерении сопротивления, емкости, индуктивности с помощью мостовых схем. 27 Нулевой метод подразделяется на: – компенсационный, при котором действие измеряемой величины компенсируется (уравновешивается) образцовой; – мостовой, когда достигают нулевого значения тока в измерительной диагонали моста, в которую включается чувствительный индикаторный прибор. Дифференциальный метод, при котором не равное нулю остаточное значение Y r << Y измеряется методом непосредственной оценки и значение Y определяют как Y = Y m + Y r В частности, этот метод широко используется для расширения частотного диапазона цифрового частотомера, измеряющего с высокой точностью разность между измеряемой частотой и известной частотой гармоники кварцевого генератора. Метод замещения, при котором измеряемую величину Y на входе прибора непосредственной оценки замещают регулируемой мерой более высокого класса точности. При этом, регулируя значение меры Y m , добиваются, чтобы показание прибора Y´ совпало с его же показанием, когда на его входе была измеряемая величина. В этом случае, пренебрегая погрешностью меры, можно считать, что Y = Y m , а разность Y´ – Y m будет определять погрешность прибора. Из всех перечисленных методов нулевой метод обеспечивает наибольшую точность измерений физической величины. Анализ используемого метода измерений как основной характеристики конкретных измерений, позволяет ввести еще один важный классификационный признак. В зависимости от метода и свойств применяемых средств измерений, все рассмотренные выше виды измерений могут выполняться либо с однократными, либо с многократными наблюдениями. Наблюдением при измерении (измерительным наблюдением) называется единичная экспериментальная операция, итог которой – результат наблюдения – всегда имеет случайный характер и представляет собой одно из значений измеряемой величины, подлежащей совместной обработке для получения результата измерения. От числа наблюдений зависит способ обработки экспериментальных данных и оценки погрешностей измерений. Различают 28 однократные и многократные наблюдения. На практике результаты многократных наблюдений при прямых измерениях какой-то физической величины осуществляются одним экспериментатором, в одинаковых условиях и с помощью одного и того же средства измерения. Такие измерения принято называть равноточными. Однако часто возникает необходимость в определении наиболее точной оценки измеряемой величины на основании результатов наблюдений, полученных разными экспериментаторами, в разных условиях, с применением различных методов и средств измерения. Совершенно очевидно, что результаты таких наблюдений будут иметь различную точность, и поэтому подобные измерения называют неравноточными. 1.3.5. Методики измерений В соответствии с Законом РФ «Об обеспечении единства измерений» (статья 9), «Измерения должны осуществляться в соответствии с аттестованными в установленном порядке методиками. Порядок разработки и аттестации методик выполнения измерений определяется Госстандартом России». Методики выполнения измерений (МВИ) – документированная совокупность операций и правил, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с гарантированной точностью в соответствии с принятой методикой. Как метрологический объект, МВИ появились в 1972 г. При разработке Государственной системы обеспечения единства измерений оказалось недостаточно иметь средства измерений, характеристики которых удовлетворяют традиционным требованиям, так как погрешность измерения часто зависит от методики измерения: погрешности метода; погрешности, возникающей при отборе и приготовлении пробы, условий измерений и т. д. Совокупность операций и правил, обеспечивающих получение результатов измерений с известной погрешностью, подчеркивает два важных признака: МВИ представляет собой описание операций, и в ней заранее предписывается погрешность измерения. 29 Разрабатывают МВИ на основе исходных данных, которые включают (ГОСТ Р 8.563–2009 «Методики выполнения измерений»): – назначение, где указывается область применения, наименование измеряемой величины и ее характеристики, а также характеристики объекта измерений, если они могут влиять на погрешность измерений; – требования к погрешности измерений; – условия измерений, заданные в виде номинальных значений и (или) границ диапазонов возможных значений влияющих величин: – вид индикации и формы представления результатов измерений; – требования к автоматизации измерительных процессов; – требования к обеспечению безопасности выполняемых работ; – другие требования, если в них есть необходимость. Аттестация МВИ – установление и подтверждение ее соответствия предъявляемым к ней метрологическим требованиям. Аттестацию осуществляют метрологической экспертизой документации, теоретических или экспериментальных исследований МВИ. Аттестованные МВИ подлежат метрологическому надзору и контролю. 1.4. Средства измерений Средством измерений (СИ) называют техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие и (или) хранящие единицу физической величины, размер которой принимается неизменным в течение известного интервала времени. СИ, в соответствии с ГОСТ 22261–94, должны удовлетворять следующим группам требований: общим техническим требованиям; техники безопасности; правилам приемки; методам испытаний. В основную группу общих технических требований входят: – требования к нормируемым метрологическим характеристикам; – требования к сопротивлению входных и выходных цепей; – требования к электропитанию; – требования ко времени установления рабочего режима и 30 продолжительности непрерывной работы; – требования к СИ при климатических и механических воздействиях; – требования к конструкции; – требования электромагнитной совместимости; – требования к надежности; – требования к комплектности. Стандарт распространяется также на вспомогательные узлы к СИ, к которым относятся элементы измерительной цепи СИ, расположенные вне их корпуса. Используемые в технике ТКС СИ достаточно многообразны. Однако для этого множества можно выделить некоторые общие признаки, присущие всем СИ независимо от области применения. Эти признаки положены в основу классификации СИ. В качестве классификационных признаков СИ могут быть использованы следующие: функциональное назначение; степень автоматизации; стандартизация; положение в поверочной схеме и т. д. По роли, выполняемой в системе обеспечения единства измерений, СИ делят на: – метрологические, предназначенные для обеспечения метрологических целей; – рабочие, применяемые для измерений, не связанных с передачей размера физических единиц. Метрологические СИ немногочисленны. Их разрабатывают, производят и эксплуатируют в специализированных научно-исследовательских центрах. Поэтому подавляющее большинство используемых на практике СИ принадлежат к группе рабочих. По отношению к измеряемой физической величине СИ делят на: – основные – СИ той физической величины, значение которой надо получить в соответствии с измерительной задачей; – вспомогательные – СИ той физической величины, влияние которой на основное СИ необходимо учесть для получения результата измерения требуемой точности. 31 Классификация СИ по функциональному назначению приведена на рис. Рис. 1.3. Классификация СИ по функциональному назначению По реализации процедуры измерения СИ бывают элементарными и комплексными. 1.4.1. Элементарные средства измерений Элементарные СИ предназначены для реализации отдельных операций прямого измерения. Элементарные СИ, взятые по отдельности, не могут осуществить операцию измерения. К элементарным СИ относят: меры, устройства сравнения и измерительные преобразователи. Мера – СИ, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. В качестве меры при измерениях в ТКС используют измерительные резисторы (мера электрического сопротивления), измерительные конденсаторы (мера электрической емкости) и т. д. Во многих простых приборах роль меры выполняют отсчетные шкалы, проградуированные в единицах измеряемой величины. Мера может быть однозначной (например, образцовая катушка индуктивности) и многозначной (например, магазин сопротивлений). Кроме того, различают наборы мер, магазины мер, установочные и встроенные меры. Набор мер – специально подобранный комплект однотипных элементов, применяемых не только по отдельности, но и в различных сочетаниях для воспроизведения ряда одноименных величин разного размера. 32 Устройство сравнения (компаратор) – это СИ, позволяющее сравнивать друг с другом меры однородных величин или же показания измерительных приборов. Примером устройства сравнения может служить фотореле, включающее (выключающее) нагрузку в зависимости от освещенности. Измерительный преобразователь – это СИ, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Измерительные преобразователи имеют нормированные метрологические характеристики и конструктивно выполнены, как правило, в виде самостоятельного СИ или являются встроенной составной частью измерительного прибора. С целью сопряжения с СИ и использования в измерительных системах к измерительным преобразователям обычно предъявляют жесткие требования по унификации и стандартизации. В зависимости от места в измерительной цепи различают преобразователи первичные и промежуточные. Первичные преобразователи – это преобразователи, к которым подводится измеряемая величина (например, термопара в цепи термоэлектрического термометра). Если первичные преобразователи размещаются непосредственно на объекте исследования, удаленном от места обработки, то они называются иногда датчиками. Широко распространены масштабные измерительные преобразователи, предназначенные для изменения размера величины в заданное число раз (измерительный трансформатор тока, делитель напряжения, измерительный усилитель и т. д.). По виду входных и выходных величин измерительные преобразователи можно разделить на: – аналоговые, преобразующие одну аналоговую величину в другую аналоговую величину; – аналого-цифровые, преобразующие аналоговый измерительный сигнал в цифровой код; – цифроаналоговые, предназначенные для преобразования цифрового кода в аналоговую величину. 33 1.4.2. Комплексные средства измерений Комплексные СИ предназначены для реализации всей процедуры измерения. К ним относятся: измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы. Измерительный прибор – это СИ, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. В технике ТКС сигналом измерительной информации является, как правило, электрический сигнал, функционально связанный с измеряемой физической величиной. Измерительные приборы классифицируют по ряду признаков. Измерительные приборы, используемые в ТКС, по принципу действия можно в самом общем виде разделить на электромеханические и электронные. В ТКС, как правило, используются электронные измерительные приборы, в состав которых в качестве отсчетного узла могут входить электромеханические измерительные приборы. По форме индикации измеряемой величины измерительные приборы делят на показывающие и регистрирующие, среди которых выделяют самопишущие и печатающие. Показывающий измерительный прибор – устройство, допускающее только считывание показаний, например, вольтметр, амперметр. Регистрирующий измерительный прибор – прибор, в котором предусмотрена регистрация показаний, например, универсальный осциллограф. Самопишущий измерительный прибор – регистрирующий прибор, в котором предусмотрена запись показаний в форме диаграммы. Печатающий измерительный прибор – регистрирующий измерительный прибор, в котором предусмотрено печатание показаний в цифровой форме. По методу преобразования измеряемой величины различают измерительные приборы прямого, компенсационного (уравновешивающего) и смешанного преобразования. Измерительные приборы прямого действия – приборы, в которых 34 предусмотрены одно или несколько преобразований сигнала измерительной информации в одном направлении, т. е. без применения цепей обратной связи; например, амперметры, вольтметры. Компенсационные (уравновешивающие) измерительные приборы предназначены для непосредственного сравнения измеряемой величины с известной величиной, например, потенциометр. Схемы измерительных приборов компенсационного (уравновешивающего) преобразования могут включать в себя узлы, охваченные местной обратной связью, однако определяющим является наличие общей с выхода на вход отрицательной обратной связи. К измерительным приборам смешанного преобразования относятся приборы, в структуру которых введена отрицательная обратная связь, охватывающая не все звенья прямого преобразования. По форме преобразования используемых измерительных сигналов измерительные приборы разделяют на аналоговые и цифровые. Аналоговый измерительный прибор – СИ, показания которого являются непрерывной функцией изменения измеряемой величины. Аналоговые приборы делятся на четыре основные группы, применяемые для разных измерительных целей. В первую группу входят приборы для измерения параметров и характеристик сигналов (например, осциллографы, вольтметры, частотомеры, анализаторы спектра и т. д.). Вторую группу образуют приборы для измерения параметров и характеристик активных и пассивных элементов электрических схем. Это измерители сопротивления, емкости, индуктивности, параметров микросхем, транзисторов, а также приборы для снятия частотных и переходных характеристик. Третья группа – измерительные генераторы, являющиеся источниками сигналов различной амплитуды, формы и частоты. В четвертую группу входят элементы измерительных схем, такие, как преобразователи, аттенюаторы, фазовращатели, направленные ответвители… 35 Цифровым измерительным прибором (ЦИП) называется СИ, автоматически вырабатывающее дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме. ЦИП имеют перед аналоговыми измерительными приборами ряд преимуществ: – удобство и объективность отсчета измеряемых величин; – высокая точность результатов измерения; – широкий динамический диапазон при высокой разрешающей способности; – высокое быстродействие из-за отсутствия подвижных электромеханических элементов; – возможность автоматизации процесса измерения, включая автоматический выбор полярности и пределов измерения; – возможность использования новейших достижений микроэлектроники при конструировании и изготовлении; – высокая устойчивость к внешним механическим и климатическим воздействиям. Среди ЦИП широко применяются автономные многофункциональные приборы на основе микропроцессоров. Автономный многофункциональный ЦИП содержит микропроцессор, работает по жесткой программе и предназначен для измерения заданных величин, а также параметров и характеристик радиотехнических сигналов и цепей. В автономных микропроцессорных ЦИП нет отдельной магистрали, и все элементы подключены к магистрали микропроцессора. Необходимые программы обработки хранятся в постоянном запоминающем устройстве и по мере необходимости вызываются с помощью клавиатуры. К вычислительным функциям микропроцессора относятся статистическая обработка результатов измерений, проведение математических операций с измеряемой величиной. Часть сервисных функций может реализовываться без микропроцессора, на жесткой логике. Измерительные приборы, применяемые в ТКС, характеризуются 36 следующими основными показателями. Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности измерительного прибора. Диапазон показаний – размеченная область шкалы, ограниченная ее начальным и конечным значениями, т. е. указанными на ней наименьшим |