Раздел 3. Методы и средства измерений, испытаний и контроля

3.1 Виды измерений. Преобразователи измерительных сигналов.

Существует несколько видов измерений. При их классификации обычно исходят из характера зависимости измеряемой величины от времени, вида уравнения измерений, условий, определяющих точность результата измерений и способов выражения этих результатов.

1) По характеру зависимости измеряемой величины от времени

а)статические - имеют место, когда измеряемая величина практически постоянна (измерения размеров тела, постоянного давления);

б) динамические, связанные с величинами, которые в процессе измерений претерпевают те или иные изменения (измерения пульсирующих давлений, вибраций).

2) По способу получения результатов

а) Прямые измерения — измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных путем ее непосредственного сравнения с мерой. (измерение давления, температуры и др.).

б) Косвенные измерения — измерения, при которых искомую величину определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, т.е. измеряют не собственно определяемую величину, а другие, функционально с ней связанные. Значение измеряемой величины находят через преобразование или через установленную формулу ( определение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров, нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения).

в) Совокупные измерения — это производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, характеризующих Данный предмет или изделие, при которых искомую определяют решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин ( определение массы отдельных гирь набора (или прогнозирование погоды на основе замеров силы ветра, влажности воздуха, фронтов и т.п).

г) Совместные измерения — это производимые одновременно измерения двух или нескольких неоднородных физических величин для нахождения зависимостей между ними (измерение электрического сопротивления при определенных температурных параметрах и температурных коэффициентов измерительного резистора по данным прямых измерений его сопротивления при различных температурах).

3) По условиям, определяющим точность результата

а) Измерения максимально возможнойточности, достижимой при существующем уровне техники.

К ним относятся в первую очередь эталонные измерения, связанные с максимально возможной точностью воспроизведения установленных единиц физических величин, и, кроме того, измерения физических констант, прежде всего универсальных (например, абсолютного значения ускорения свободного падения и др.). К этому жеклассу относятся и некоторые специальные измерения, требующие высокой точности.

б) Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторого заданного значения.

К ним относятся измерения, выполняемые лабораториями государственного надзора за внедрением и соблюдением стандартов и состоянием измерительной техники и заводскими измерительными лабораториями, которые гарантируют погрешность результата с определенной вероятностью, не превышающей некоторого заранее заданного значения.

в) Технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений.

Примерами технических измерений являются измерения, выполняемые в процессе производства на машиностроительных предприятиях, на щитах распределительных устройств электрических станций и др.

4) По способу выражения результатов измерений

а) Абсолютными называются измерения, которые основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или на использовании значений физических констант (определение длины в метрах, силы электрического тока в амперах, ускорения свободного падения в метрах на секунду в квадрате).

б)Относительными называются измерения отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную (измерение относительной влажности воздуха, определяемой как отношение количества водяных паров в 1 м"³ воздуха к количеству водяных паров, которое насыщает 1 m^j воздуха при данной температуре).

5) По характеру изменения измеряемой величины измерения

а) Статические — применяют для измерения случайных процессов, а затем для определения среднестатистической величины;

б) Постоянные — используют для контроля непрерывных процессов.

6) По количеству измерительной информации измерения

а) Однократные измерения — это одно измерение одной величины, т.е. число измерений равно числу измеряемых величин. Практическое применение такого вида измерений всегда сопряжено с большими погрешностями.

б) Многократные измерения — характеризуются превышением числа измерений количества измеряемых величин. Преимущество многократных измерений — значительное снижение влияний случайных факторов на погрешность измерения.

Основными характеристиками измерений являются:

- принцип измерений,

-метод измерений,

-погрешность,

-точность,

-правильность

- достоверность.

Принцип измерении— физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений (измерение массы тела при помощи взвешивания с использованием силы тяжести, пропорциональной массе, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта).

Измерение неэлектрических величин может осуществляться как электрическими устройствами с предварительным преобразованием неэлектрической величины в электрическую, так и неэлектрическими устройствами.

Электрические средства измерений имеют ряд преимуществ перед другими средствами измерений. Они характеризуются простотой изменения чувствительности в широком диапазоне измерений и малой инерционностью, что позволяет производить измерения как медленно меняющихся, так и быстроменяющихся во времени величин; возможностью создания комплексных измерительно-информационных систем, передачи результатов измерения на большие расстояния и др. Получение информации о том или ином физическом объекте связано с организацией взаимодействия между объектом и другим материальным объектом (первичным измерительным преобразователем), воспринимающем соответствующую физическую величину.

В пособии рассматриваются первичные измерительные преобразователи различных неэлектрических величин с электрическим выходным сигналом.

 

 

Все измерения начинаются с восприятия измеряемых величин и формирования измерительного сигнала, который затем подвергается необходимым преобразованиям. Подавляющее число физических неэлектрических величин в процессе измерения преобразуется в электрические величины. Для осуществления подобных преобразований находят широкое применение различные первичные измерительные преобразователи (ПИП).

Первичный измерительный преобразователь – измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, т.е. первый преобразователь в измерительной цепи измерительного прибора (установки, системы).

Одной из основных частей ПИП является чувствительный элемент, который воспринимает входную физическую величину.

Чувствительный элемент – это часть измерительного преобразователя в измерительной цепи, воспринимающая входную величину [1].  В чувствительном элементе с помощью определенного физического эффекта входная величина преобразуется в сигнал, поступающий в последующую измерительную цепь.

Конструктивно обособленный первичный измерительный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы (информация), называется датчиком.

Измерительный сигнал – это сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой физической величине.

Первичный измерительный преобразователь необязательно может быть датчиком и включается в измерительную цепь, которая может иметь в своем составе усилители, делители, модуляторы и другие устройства преобразования измерительного сигнала.

В общем случае под датчиком следует понимать конструктивно обособленную совокупность первичных преобразователей,воспринимающих одну или несколько входных величин и преобразующих эти величины в измерительные сигналы [1].

В литературе при описании первичного измерительного преобразователя, выполняющего функцию восприятия входной физической величины и формирования измерительного сигнала, широко используется термин «сенсор».

Сенсор – это первичный измерительный преобразователь, воспринимающий входную величину и формирующий измерительный сигнал.