Измерение — это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.
Если отношение измеряемой величины X к единице измерения y обозначить через n, то X=n*y. (1.1)
Это уравнение называют основным уравнением измерения; n — числовым значением измеряемой величины; произведение n*y — результатом измерения.
С 1980 года в нашей стране применяют систему единиц СИ (SI в переводе означает «система интернациональная»). Основные единицы этой системы приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1. Основные единицы измерения системы СИ (SI)
Существует четыре основных вида измерений: прямые, косвенные, совокупные и совместные.
Прямыми называются измерения, при которых значения измеряемой величины находят непосредственно из опытных данных. Простейшими примерами могут служить измерения температуры с помощью стеклянного термометра, давления — с помощью манометра.
Косвенными называются измерения, включающие использование средств измерений и последующие математические операции с их выходными сигналами. Эти операции могут производиться оператором (например, вычисление значения электрической мощности по показаниям вольтметра и амперметра).
Совокупными называются измерения, имеющие целью определить значения нескольких одноименных величин. Например, значение массы отдельных гирь набора можно найти по известному значению одной из них и по разностям масс нескольких гирь, найденных взвешиванием на весах.
Совместными называют измерения, при которых значения разноименных величин находят решением системы уравнений, которые выражают взаимосвязь этих величин. Примером совместных измерений может служить определение электрического сопротивления или коэффициента линейного теплового расширения при совместном определении длины образца и его температуры.
Метод измерений — это совокупность приемов использования средств измерений, в результате которых решается поставленная задача. Методы измерений определяются видом контролируемых величин, их размерами, требуемой точностью результата, быстротой процесса измерения, условиями, при которых проводят измерения, и рядом иных признаков.
Основными являются методы прямого преобразования (контактный и бесконтактный), сравнения и комбинированный.
Метод прямого преобразования дает значение измеряемой величины, непосредственно преобразуя входную величину в выходную; отсчет получается без дополнительных устройств и действий со стороны лица, проводящего измерение, без вычислений (кроме умножения показаний па постоянную прибора или цену деления). К приборам, реализующим этот метод, относятся манометры, термометры и другие показывающие и самопишущие приборы.
Метод сравнения основан на использовании меры и измерительного прибора сравнения. Разновидностями его являются методы: нулевой, замещения и дополнения. Мерой называют средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера; например, гиря — мера массы.
Нулевой метод заключается в уравновешивании неизвестной измеряемой величины известной. Последнюю выбирают таким образом, чтобы разность между значениями измеряемой и известной величин равнялась нулю; совпадение значений отмечают по нулевому указателю. Примером реализации нулевого метода может служить автоматический потенциометр для измерения температуры; при этом термоЭДС уравновешивают перемещением с помощью двигателя движка реохорда, положение последнего и связанной с ним стрелки прибора является функцией температуры.
Метод замещения состоит в замещении измеряемой величины одноименной и равной ей по размеру известной величиной. К нему относится, например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов.
Метод дополнения основан на добавлении измеряемой величины к одноименной известной величине, которая подбирается так, чтобы на индикатор воздействовала их сумма, равная заранее заданной величине. Примером может служить взвешивание с постоянной нагрузкой весов.
Комбинированный метод представляет собой сочетание методов прямого преобразования и сравнения. Он имеет разновидности: неполного уравновешивания, дифференциальный и совпадений.
При методе неполного уравновешивания измеряемую и известную величины подводят одновременно к индикатору, который используется для измерения оставшейся разности между этими величинами, не доведенной до нуля.
Дифференциальный метод состоит в измерении предварительно образовавшейся разности между измеряемой и известной величинами методом прямого преобразования. Примером могут служить рычажные весы, где измеряемая масса тела сравнивается с массой гири или их набором.
При использовании метода совпадений образовавшаяся разность между измеряемой и известной величинами определяется путем периодических совмещений отметок или сигналов.
Примером может быть измерение длины любого изделия с помощью штангенциркуля, где наблюдают совпадение отметок на шкалах штанги и нониуса.
КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ И ИХ СТРУКТУРА
Измерение физических величин производят с помощью технических средств, обладающих определенными метрологическими свойствами.
Средства измерений можно классифицировать по ряду признаков.
1. По видам различают: меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, измерительные установки и измерительные системы. Меры могут быть объединены в комплекты, например, набор гирь.
Измерительный прибор служит для образования выходного сигнала в форме, позволяющей наблюдателю непосредственно воспринимать значение измеряемой величины.
Измерительный преобразователь предназначен для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.
Измерительная установка представляет собой совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных приборов и измерительных преобразователей), а также вспомогательных устройств (встроенного сигнализатора или регулятора), предназначенную для выполнения сложных измерений (совокупных, совместных).
Измерительная система — это совокупность функционально объединенных средств измерений, средств автоматизации измерительных операций и средств вычислительной техники, снабженная общим управлением и предназначенная для выполнения измерений многих величин с автоматической обработкой получаемых результатов по заданной программе.
2. По способу отсчета различают средства измерений с ручной наводкой, шкальные и регистрирующие.
В средствах измерений с ручной наводкой процесс измерения осуществляется сравнением измеряемой величины с мерами или образцами при участии наблюдателя (например, весы с гирями, пирометр с исчезающей нитью).
Шкальные приборы имеют отсчетное устройство в виде шкалы и указателя, которые могут быть подвижными.
В регистрирующих приборах выходной сигнал регистрируется как функция времени или аргумента. Самопишущие приборы, являющиеся разновидностью регистрирующих, обеспечивают запись выходного сигнала в форме диаграммы. Печатающие регистрирующие приборы фиксируют выходной сигнал в цифровой форме.
3. По метрологическому назначению все средства измерения делят на две группы: образцовые, служащие для воспроизведения и передачи измерения с наибольшей точностью (в пределах их возможностей); рабочие (технические), которые служат для технических измерений в производстве.
4. По форме преобразования и представления выходных измерительных сигналов различают аналоговые и цифровые средства измерений.
5. По условиям применения средства измерений делятся на стационарные и переносные, местные и дистанционные, оперативные и учетные.
6. По характеру участия в измерительном процессе кроме основных выделяют вспомогательные средства, к которым относят устройства, необходимые для проведения измерений, но не имеющие прямого отношения к преобразованию измерительной информации (источники питания, разделительные устройства, устройства автоматики).
7. По измеряемой величине различают средства измерения температуры, давления, расхода, количества жидкостей и газа, уровня жидкостей и др.
Любое средство измерений состоит из элементов, в которых происходят последовательные преобразования измерительного сигнала. Эти элементы называют преобразовательными, а совокупность их, обеспечивающую осуществление всех преобразований,— измерительной цепью средства измерений (рис. 1.1).
Измерительная информация (например, температура) подводится к чувствительному элементу первичного измерительного преобразователя (термопаре). Передающий преобразователь служит для дистанционной передачи сигнала измерительной информации. Между первичным и передающим может находиться вторичный измерительный преобразователь. Последним в измерительной цепи является устройство для отсчитывания значений измеряемой величины.
Возьмем, к примеру, структурную схему термоэлектрического термометра (рис. 1.2), состоящую из четырех элементов. В первом из них измеряемая температура T преобразуется в термоЭДС Е.
Рис. 1.1. Измерительная цепь средств измерений
Рис. 1.2. Структурная схема термоэлектрического термометра
Во втором элементе Е преобразуется в электрический ток I, в третьем — I преобразуется во вращающий момент М, а в четвертом — М преобразуется в отклонение стрелки на угол α шкалы с указанием определенного значения температуры Т. В регистрирующем приборе имеется устройство, которое производит запись значений измеряемой величины на диаграмме.
ВИДЫ ПОГРЕШНОСТЕЙ И ПОВЕРОК
Целью любого измерения является установление численного значения величины при заданной единице измерения. На этот процесс оказывает влияние ряд факторов: качество изготовления прибора, условия измерения (температура, влажность, давление и др.), метод измерения, индивидуальные особенности оператора. В результате представляется возможным установить лишь приближенное значение искомой величины, отличающееся от истинного на величину погрешности измерения.
Истинным значением величины считается значение, которое идеальным образом отражает в количественном и качественном отношениях соответствующее свойство объекта измерения.
Действительное значение физической величины X — это значение, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному, что может быть использовано вместо него. Действительное значение величины определяют по образцовому средству измерения.
Алгебраическая разность между результатом измерения Xизм и действительным значением измеряемой величины X называется абсолютной погрешностью измерения Δх:
Погрешность измерения складывается из погрешности средства измерения, или инструментальной, погрешности метода измерения и субъективной погрешности наблюдателя.
Погрешность средств измерений (y) можно оценивать по приведенной погрешности, представляющей собой отношение погрешности измерительного прибора к нормирующему значению XN:
Пределы допускаемой приведенной основной погрешности, т. е. класса точности прибора, должны соответствовать ГОСТ 8.401-80 «Классы точности средств измерений. Общие требования» и устанавливаются по формуле:
Пределы допускаемой относительной основной погрешности устанавливают по формуле:
Погрешности средств измерений можно разделить на динамические и статические.
Динамической называется разность между погрешностью средств измерений в динамическом режиме (для измерения переменной во времени величины) и его статической погрешностью, соответствующей значению величины в данный момент времени установившегося режима.
Погрешность средств измерений составляет 90—95% от погрешности измерения.
Погрешность метода измерений определяется его несовершенством, а также неполным знанием всех обстоятельств, сопровождающих измерения (например, неправильный учет сопротивления соединительных линий).
Субъективная погрешность наблюдателя складывается из погрешности отсчета, параллакса, или различного визирования стрелки, расположенной на некотором расстоянии от поверхности шкалы, и ошибки в интерполяции при отсчитывании (неточная оценка на глаз доли деления шкалы, соответствующей положению указателя).
В зависимости от условий выполнения измерений погрешности подразделяют на основные и дополнительные.
Основной называется погрешность средств измерений, находящихся в нормальных условиях. Эти условия в соответствии с ГОСТ 12997-76 характеризуются следующими метрологическими параметрами (влияющими величинами): температурой 293±5 К или 20±5°С (20±2°С для средств измерений класса точности 1,0 и более точных); относительной влажностью 30—80%; атмосферным давлением 101325±3999,66 Па; отклонением напряжения питания от номинального на ±2%; частотой питания переменного тока 50±0,5, 400±12 Гц.
Дополнительной считается погрешность, возникающая при отклонении условий работы прибора от нормальных, например, изменении температуры окружающей среды в рабочих условиях, т. е. таких, при которых значения влияющих величин (давление, электрическое поле, температура и др.) находятся в определенных для конкретного прибора пределах.
В зависимости от характера появления погрешности измерений бывают систематическими, случайными и грубыми.
Систематическая погрешность остается постоянной или закономерно изменяется при повторных измерениях одной и той же величины. Ее влияние учитывают путем внесения поправок либо исключают схемно, конструктивно или технологически.
Случайная погрешность определяется случайным образом при повторных измерениях одного и того же значения величины.
Грубая погрешность существенно превышает ожидаемую при данных условиях и является следствием, например, неправильного отсчета по шкале или неверной записи результата измерения.
Систематические погрешности по характеру их проявления подразделяют на постоянные, переменные, прогрессирующие, периодические, а также изменяющиеся по сложному закону.
Постоянными считаются погрешности, сохраняющие неизменными свой знак и значение в продолжении всего процесса измерения.
К прогрессирующим относятся погрешности, которые либо возрастают, либо убывают во времени.
Погрешности, которые изменяют свой знак и значение в процессе измерения, называются переменными.
Практически погрешности прибора определяют путем сравнения нескольких отметок его шкалы с соответствующими отметками образцового средства измерения, т. е. путем поверки. Поверка средств измерений бывает государственной и ведомственной.
Государственную поверку осуществляют органы государственной метрологической службы: метрологические научно-исследовательские институты Госстандарта и их филиалы, а также центры метрологии и стандартизации, межобластные и межрайонные лаборатории государственного надзора за стандартами и измерительной техникой.
Ведомственная поверка проводится базовой метрологической службой или соответствующей службой предприятия (при наличии необходимого документа).
В зависимости от причин проведения государственных и ведомственных поверок их подразделяют на инспекционные, первичные, периодические и внеочередные.
ПАРАМЕТРЫ И МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ
В приборах прямого преобразования имеется отсчетное устройство, предназначенное для отсчитывания значений измеряемой величины. Отсчетное устройство показывающего средства измерений состоит из шкалы и указателя. Шкала представляет собой совокупность отметок, соответствующих определенному значению измеряемой величины, и проставленных у некоторых отметок чисел отсчета или других символов, соответствующих ряду последовательных значений величины. Отметка шкалы с числом отсчета называется числовой.
Промежуток между двумя соседними отметками является делением шкалы, а расстояние между осями (центрами) двух соседних — длиной деления. Разность значений измеряемой величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы, называется ценой деления.
Шкалы измерительных приборов бывают равномерными (с делениями постоянной длины) и неравномерными (с делениями, длина которых изменяется по квадратичному, логарифмическому или другому нелинейному закону).
Шкала имеет начальное и конечное значение, т. е. указанные на ней наименьшее и наибольшее значения измеряемой величины. Область шкалы, ограниченную этими значениями, называют диапазоном показаний. Допустимые для измерительного прибора погрешности могут быть нормированы лишь в области значений измеряемой величины, которая называется диапазоном измерений. Границы диапазона измерений, или наибольшее и наименьшее значения измеряемой величины, называются пределами измерений.
Шкала прибора может содержать числа отсчета в виде условных символов. Показание средства измерения при этом определяется по градуировочной характеристике, представляющей собой зависимость между значениями величины на выходе и входе средства измерений и составленной в виде таблиц, графиков или формул.
Показания измерительного прибора в определенной степени зависят от ряда физических величин, не измеряемых данным средством измерений, но оказывающих влияние на него. Такие величины называют влияющими. Стандартами или техническими условиями на средства измерений каждого вида устанавливаются области нормальных значений влияющих величин, а также их рабочие (расширенные) области, в пределах которых допускается применение измерительного прибора.
Средства измерений наряду со специфическими свойствами— такими, как габаритные размеры, масса, назначение, область применения и др.,— обладают общими метрологическими характеристиками, которые определяют их качественные показатели. К этим характеристикам относятся чувствительность, точность, стабильность, инерционность и метрологическая надежность.
Чувствительностью называют отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к изменению входной, или измеряемой, величины.
Различают абсолютную и относительную чувствительность. Первая определяется по формуле:
Наименьшее изменение измеряемой величины, вызывающее различимое изменение показаний измерительного прибора, называют порогом чувствительности, который выражают в единицах выходной величины.
Наибольшее изменение измеряемой величины, не вызывающее изменений показаний прибора, называют зоной нечувствительности средства измерений.
Точностью средства измерений определяется степень достоверности показаний, т. е. отражается близость его погрешностей к нулю. Ее обычно характеризуют приведенной погрешностью. Класс точности прибора представляет собой обобщенную характеристику, определяемую пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей.
Стабильностью называется качество средства измерений, отражающее неизменность его метрологических свойств во времени. Одной из важных характеристик стабильности измерительного прибора является вариация его показаний. Абсолютной вариацией называется наибольшая разность между многократными показаниями прибора, соответствующими одному и тому же действительному значению величины, измеряемой при неизменных внешних условиях.
У работающих приборов вариацию легко обнаружить, если произвести ряд измерений, изменяя действительное значение величины от наименьшего до наибольшего, а затем в обратном порядке, и отмечая соответствующие этим значениям показания. Различные показания получаются вследствие трения и мертвого хода подвижных частей механизма прибора, неполной упругости пружин, старения материалов и других факторов.
Вариация исчисляется в процентах от диапазона шкалы средства измерений по формуле:
Инерционность средства измерений выражается в том, что его показания отстают от изменения измеряемой величины. Запаздывание показаний объясняется инерцией подвижных сборочных единиц или тепловыми процессами. Например, при измерении температуры горячего воздуха в сушиле манометрическим термометром требуется определенное время для нагрева рабочего тела в термобаллоне, передачи давления на чувствительный элемент и перемещения стрелки. Поэтому снимать показания надо по истечении времени, указанного в документации на прибор.
Метрологическая надежность характеризует способность средства измерений выполнять свои функции, сохраняя во времени значения метрологических характеристик в заданных пределах, соответствующих установленным режимам и условиям пользования, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования.
Наибольшей метрологической надежностью и стабильностью обладают измерительные приборы Государственной системы приборов (ГСП). Эти средства измерений состоят из унифицированных блоков, имеющих единые параметры входных и выходных сигналов. На метрологическую надежность в значительной степени влияет качество ремонта, производимого после появления метрологического отказа.
