Основные понятия об измерениях. Классификация и основные характеристики измерений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные понятия об измерениях. Классификация и основные характеристики измерений

Измерение - совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождения соотношения измеряемой величины с её единицей и получение значения этой величины [1].

Измерение - сравнение исследуемой физической величины с однородной физической величиной, значение которой принято за единицу, и представление результата этого сравнения в виде числа.

Метрология ("метрон" -- мера и "логос" -- учение) - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью.

Важнейшие задачи метрологии: обеспечение единства и необходимой точности измерений; установление рациональной номенклатуры единиц физических величин; разработка оптимальных принципов; приемов и способов обработки результатов измерения.

Средства измерений (СИ) - это технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики.

СИ можно разделить на пять основных групп:

Мера - это средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера (катушки электрического сопротивления, гири).

Измерительный преобразователь (ИП) - это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но неподдающейся непосредственному восприятию наблюдателем (емкостный преобразователь).

Одним из элементов ИП является чувствительный элемент.

Датчик (сенсор) - конструктивно обособленный первичный измерительный преобразователь, от которого поступают сигналы измерительной информации. Датчики могут воспринимать и преобразовывать несколько величин, и под датчиком следует понимать конструктивно обособленную совокупность первичных измерительных преобразователей, воспринимающих одну или несколько входных величин преобразующую их измерительные сигналы.

Измерительный прибор - это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме доступной для непосредственного восприятия наблюдателем (вольтметр, омметр).

Измерительная установка - это совокупность функционально объединенных средств измерений, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительная система - это совокупность средств измерений (мер, измерительных приборов) и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в АСУ.

При измерениях используют понятия истинного и действительного значения физической величины. Истинное значение физической величины - значение величины, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину. Истинное значение физической величины может быть соотнесено с понятием абсолютной истины. Его можно получить только в результате бесконечного процесса измерений с бесконечным совершенствованием методов и средств измерений. Действительное значение физической величины - это значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него.

Погрешность результата измерений - отклонение результата измерений от истинного (действительного) значения измеряемой величины.

Погрешность линейности (нелинейность). Элемент или система обладают линейной функцией преобразования, если их выходной сигнал прямо пропорционален входному. Однако в реальных случаях эта функция, хотя и принимается линейной, идеально линейной не является, поэтому и появляется погрешность.

Нелинейность -- это разность между истинным и принятыми значениями измеряемой величины в предположении, что система измерения линейна. Таким образом, на Рисунке 1 показана величина нелинейности N для случая, когда измеренное значение равно М.

Рисунок 1 - Нелинейность

(1)

Погрешность квантования - эта погрешность возникает в цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователях из-за шага квантования, который определяет величину вклада наименьшего значащего разряда.

Полоса пропускания может быть определена как диапазон частот, для которого передаточная функция составляет не меньше 70.7% от максимальной величины G. 70.7% от G -- это G/. Альтернативное определение: полоса пропускания -- это диапазон частот, для которого передаточная функция находится внутри зоны 3 дБ (децибел) от максимального значения. Изменение на три децибела означает то, что передаточная функция изменяется в 1/ раз.

Изменение в дБ = 20 lg (величина /максимальную величину) = =20 lg(l/) = 3. (2)

Рисунок 2 - Полоса пропускания

Порог чувствительности -- это минимальный уровень входного сигнала, который должен быть достигнут для появления различимых изменений в показаниях прибора. Это верхняя граница мертвой зоны при изменении входного сигнала от нулевого значения.

Рисунок 3 - Порог чувствительности

Разрешающая способность прибора -- это минимальное изменение измеряемой величины, которое приведет к различимому изменению в показаниях на выходе прибора.

Воспроизводимость - близость результатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах, разными методами и средствами, но приведенных к одним и тем же условиям (температура, давление).

Время реакции (время отклика) - время, которое требуется измерительной системе, чтобы полностью отреагировать на изменение измеряемой величины.

Гистерезис. Приборы могут выдавать разные показания, а, следовательно, и погрешности, для одной и той же измеряемой величины в зависимости от того, росла эта величина или непрерывно уменьшалась в течение предыдущего промежутка времени (Рис. 4). Этот эффект, называемый гистерезисом, происходит в результате таких явлений, как трение скольжения или люфт в механических частях приборов. Погрешность гистерезиса -- это разность между значениями одной и той же измеряемой величины, полученными в процессе ее возрастания и убывания до этого значения. Гистерезис часто выражается как процентное отношение максимального гистерезиса к отклонению на всю шкалу прибора.

(3)

Рисунок 4 - Гистерезис

Ошибка гистерезиса - разность между значениями одной и той же измеряемой величины, полученными в процессе ее возрастания и убывания до этого значения.

Говорят, что у прибора есть дрейф, если его выходной сигнал со временем постепенно изменяется.

Дрейф нуля - эта величина показывает, насколько изменяются показания прибора при отсутствии сигнала на входе с течением времени.

Дрейф чувствительности -- это величина, показывающая насколько изменяется чувствительность прибора в результате изменения окружающих условий.

Коэффициент усиления системы или элемента -- это отношение выходного сигнала ко входному.

Коэффициент усиления = выход/вход. (4)

Мертвая зона прибора -- это диапазон значений измеряемой величины, в котором выходной сигнал прибора никак не изменяется.

Единицы, образующие какую-нибудь систему, называют системными единицами, а единицы, не входящие ни в одну из систем, - внесистемными. В 1960 г. 11 Генеральная конференция по мерам и весам утвердила Международную систему единиц - СИ (SI - System Internationa1). Система СИ включает в себя систему единиц МКС (механические единицы) и систему МКСА (электрические единицы). СИ строится из основных и производных единиц.

Основные единицы.

* метр (м) - единица длины.

* килограмм (кг) - единица массы.

* секунда (с) - единица времени.

* ампер (А) - единица силы электрического тока.

* кельвин (К) - единица термодинамической температуры.

* моль - единица количества вещества.

* кандела (кд) - единица света. К производным единицам измерения относятся единицы пространства и времени, механических, электрических и магнитных величин.

Внесистемные единицы - единицы физических величин, не входящие в принятую систему единиц:

- Плоский угол. Радиан (рад)- это плоский угол между двумя радиусами окружности, дуга между которыми равна по длине радиусу.

- Телесный угол. Стерадиан (ср)- это телесный угол конуса с вершиной в центре сферы, вырезающий на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной по длине радиусу сферы.

Таблица 1 - Список наиболее часто используемых единиц измерения

метрология измерение масштабирование гистерезис

Измерительное преобразование - операция преобразования входного сигнала в выходной, реализуемая измерительным преобразователем.

Информативные параметры выходных сигналов унифицированы государственной системой приборов и средств автоматизации (ГСП). Унифицированными сигналами являются постоянное напряжение 0…10 В и постоянный ток 0 ... 5, 0 ... 20, 4 ... 20 мА (токовая петля).

Масштабирование - создание выходного сигнала, однородного с входным, размер информативного параметра которого пропорционален в К раз размеру информативного параметра входного сигнала.

Измерения можно классифицировать по различным признакам:

по числу измерений - однократные, когда измерения выполняют один раз, и многократные - ряд однократных измерений физической величины одного и того же размера;

характеристике точности - равноточные - ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях, и неравноточные, когда ряд измерений какой-либо величины выполняется различающимися по точности средствами измерений;

характеру изменения во времени измеряемой величины - статические, когда значение физической величины считается неизменным на протяжении времени измерения, и динамические - измерение изменяющейся по размеру физической величины;

способу представления результатов измерений - абсолютные - измерения величины в ее единицах, и относительные - измерения изменений величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную;

способу получения результата измерения - прямые и косвенные.

Прямые измерения - измерения, при которых искомое значение физической величины получают непосредственно из опытных данных (нахождение значения напряжения, тока, мощности по шкале прибора).

Косвенные измерения - определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. При этом числовое значение искомой величины находится расчетным путем, например значение мощности в нагрузке определяется по показаниям амперметра и вольтметра ().

Методы измерения можно классифицировать:

по физическому принципу, положенному в основу измерения - электрические, механические, магнитные, оптические;

степени взаимодействия средства и объекта измерения - контактный и бесконтактный. Например, измерение температуры тела термометром сопротивления (контактный) и объекта пирометром (бесконтактный).

режиму взаимодействия средства и объекта измерения - статические и динамические;

виду измерительных сигналов - аналоговые и цифровые;

организации сравнения измеряемой величины с мерой:

метод непосредственной оценки (отсчета) - метод измерений, при котором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений. Он отличается своей простотой, но невысокой точностью.

метод сравнения с мерой - метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Их подразделяют на дифференциальные, нулевые, замещения и совпадений.

Дифференциальный (разностный) метод - метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, незначительно отличающейся от измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами.

Нулевой метод - метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля. Например, измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием.

Метод измерения замещением - метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины. Метод используют, например, при измерении индуктивности, емкости.

Метод совпадений - метод, при котором измеряют разность между искомой величиной и образцовой мерой, используя совпадения отметок или периодических сигналов. Метод применяют, например, для измерения перемещений, периода, частоты.

Размещено на Allbest.ru