436

измерения одной и той же величины, существенно отличающихся по диапазонам измерений, условиям применения и методам поверки, а также для средств измерений нескольких ФВ допускается подразделять на части.

На чертежах поверочной схемы должны быть указаны:

−наименования СИ и методов поверки;

−номинальные значения ФВ или их диапазоны;

−допускаемые значения погрешностей СИ;

−допускаемые значения погрешностей методов поверки.

Правила расчета параметров поверочных схем и оформления чертежей этих схем приведены в ГОСТ 8.061–80 «ГСИ. Поверочные схемы. Содержание и построение» и в рекомендациях МИ 83–76 «Методика определения параметров поверочных схем». В поверочных схемах приводятся различные способы поверки средств измерений.

5.3. Основы техники измерений

5.3.1. Виды измерений

Вид измерений – часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин. Виды измерений определяются физическим характером измеряемой величины, требуемой точностью измерения, необходимой скоростью измерения, условиями и режимом измерений и т. д. В метрологии существует множество видов измерений, и число их постоянно увеличивается (рис. 5.10).

Можно, например, выделить виды измерений в зависимости от:

−цели измерений: контрольные, диагностические и прогностические, лабораторные и технические, эталонные и поверочные, абсолютные

иотносительные и т. д.;

−метода измерений: непосредственной оценки, сравнения с мерой, противопоставления, дифференциальный, нулевой, замещения (совпадений);

−условий измерений: равноточные, неравноточные;

−характера результата измерений: абсолютные, допусковые

(пороговые), относительные;

−числа измерений величины: однократные, многократные;

−связи с объектом: бесконтактные, контактные;

−степени достаточности измерений: необходимые, избыточные.

Наиболее часто используют классификацию видов измерений по способу

получения числового значения измеряемой величины. В этом случае все измерения делят на четыре основных вида:

−прямые измерения;

−косвенные измерения;

−совокупные измерения;

−совместные измерения.

Прямыми называют измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. Простейшие примеры прямых измерений: измерение длины линейкой, температуры – термометром, электрического напряжения – вольтметром и пр. Уравнение прямого измерения: y = C x , где С – цена деления СИ. Прямые измерения

– основа более сложных видов измерений.

Косвенными называют измерения, результат которых определяют на основе прямых измерений величин, связанных с измеряемой величиной известной зависимостью y = f1(x1, x2 ,K, xn ) , где x1, x2 ,K, xn – результаты

прямых измерений, y – измеряемая величина.

Примеры: объем прямоугольного параллелепипеда определяется по результатам прямых измерений длины в трех взаимно перпендикулярных направлениях; электрическое сопротивление – по результатам измерений падения напряжения и силы тока и т.д.

Находить значения некоторых величин легче и проще путем косвенных измерений, чем путем прямых. Иногда прямые измерения невозможно осуществить. Нельзя, например, измерить плотность твердого тела, определяемую обычно по результатам измерений объема и массы. Косвенные измерения некоторых величин позволяют получить значительно более точные результаты, чем прямые.

Абсолютное измерение – это косвенное измерение, для осуществления которого используется прямое измерение массы, длины и времени.

Совокупными называют измерения, в которых значения измеряемых величин находят по данным повторных измерений одной или нескольких одноименных величин при различных сочетаниях мер или этих величин. Результаты совокупных измерений находят путем решения системы уравнений, составляемых по результатам нескольких прямых измерений. При определении взаимоиндуктивности катушки М, например, используют два метода: сложения и вычитания полей. Если индуктивность одной из них L1 , а другой – L2 , то находят L01 = L1 + L2 + 2M и L02 = L1 + L2 −2M , отсюда M = (L01 − L02 )4 .

Совместными называют производимые одновременно (прямые или косвенные) измерения двух или нескольких не одноименных величин. Целью совместных измерений по существу является нахождение функциональной зависимости одной величины от другой, например, зависимости длины тела от температуры, зависимости электрического сопротивления проводника от давления и т.п. Например, измерение сопротивления Rt проводника при фиксированной температуре t по

формуле

Rt = R0 (1+α t) ,

где R0 и α – сопротивление при известной температуре t0 (обычно 20°C ) и температурный коэффициент – величины постоянные, измеренные

косвенным методом; t = t −t0 – разность температур; t – заданное

значение температуры, измеренное прямым методом.

Основные уравнения связи при совокупном и совместном измерениях имеют вид:

f1(y1,..., yn , x1(1) ,..., xm(1) )= 0

………………………………

fn (y1,..., yn , x1(n) ,..., xm(n) )= 0 ,

где y1,..., yn – искомые величины; x1,..., xm – параметры или величины, установленные на основе прямого либо косвенного измерения; f1,..., fn –

трех известных значениях температур t1, t2 , t3 измеряются прямым способом Rt1 , Rt2 , Rt3 , затем составляется система уравнений, решение

которой позволяет определить искомые величины

R0 (1 + αt1 + βt12 ) = Rt1 R0 (1 + αt2 + βt2 2 ) = Rt2 R0 (1 + αt3 + βt32 ) = Rt3

Эти уравнения называются условными. Они представляют зависимость R от t при фиксированных значениях t . Иначе говоря, совместные измерения позволяют получить систему уравнений, связывающих зависимые величины между собой при различных их значениях.

Таким образом, любой процесс измерения представляет собой тот или иной прием сравнения измеряемой величины с величиной воспроизводимой мерой при использовании различных средств измерений.

5.3.2. Методы измерений

Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений.

Принцип измерений – физическое явление или эффект, положенное в основу измерений (например, использование силы тяжести при измерении массы взвешиванием, или применение эффекта Доплера для измерения скорости).

Прямые измерения – основа более сложных измерений, и поэтому целесообразно рассмотреть методы прямых измерений. В соответствии с [24] различают:

1.Метод непосредственной оценки – метод, при котором значение ве-

личины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора, например измерение давления пружинным манометром, массы – на весах, силы электрического тока – амперметром.

2.Метод сравнения с мерой (метод сравнения) – метод, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Пример:

−измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями (мерами массы с известными значениями);

−измерение напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнением с известной ЭДС нормального элемента.

3.Метод измерений дополнением (метод дополнения) – метод, в котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению.

4.Дифференциальный метод – метод, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами. Метод характеризуется измерением разности между измеряемой величиной и известной величиной, воспроизводимой мерой. Метод позволяет получить результат высокой точности при использовании относительно грубых средств измерения.

Пример:

Измерить длину х стержня, если известна длина l (l < x) меры. Как

показано на рис. 5.11, x = l + a (а – измеряемая величина).

Рис. 5.11. Дифференциальный метод измерения

Действительные значения a Д будут отличаться от измеренного а на

Пусть = 0,1мм; l=1000 мм; а=10 мм,

тогда 0,11010 = 0,0001 (0,01%) << 0,110 = 0,01 (1%).

5. Нулевой метод – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля.

Нулевой метод аналогичен дифференциальному, но разность между измеряемой величиной и мерой сводится к нулю. При этом нулевой метод имеет то преимущество, что мера может быть во много раз меньше измеряемой величины.

Пример:

Измерения электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием. Рассмотрим, например, неравноплечие весы (рис. 5.12(а)), где P1l1 = P2l2 . В электротехнике – это мосты для измерения

индуктивности, емкости, сопротивления (рис. 5.12(б)). Здесь r1r2 = rx r3 , откуда rx = r1 r2 r3 . В общем случае совпадение сравниваемых величин регистрируется нуль-индикатором (И).

Рис. 5.12. Нулевой метод измерения:

а– схема механических весов, б – схема электрического моста

6.Метод замещения – метод сравнения с мерой, в которой измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины.

Пример:

Взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов (метод Борда).

Кроме того, можно выделить нестандартизованные методы:

−метод противопоставления, при котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения.

Пример:

Измерения массы на равноплечих весах с помещением измеряемой массы и уравновешивающих ее гирь на двух чашках весов.

−метод совпадений представляет собой разновидность метода сравнения с мерой, при котором разность между сравниваемыми величинами измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.

Пример:

−При измерении длины штангенциркулем наблюдают совпадение отметок на шкалах штангенциркуля и нониуса. Шкала нониуса штангенциркуля имеет десять делений через 0,9 мм. Когда нулевая отметка шкалы нониуса оказывается между отметками основной шкалы штангенциркуля, это означает, что к целому числу миллиметров необходимо добавить число десятых долей миллиметра, равное порядковому номеру совпадающей отметки нониуса.

−При измерении частоты вращения стробоскопом – метки на вращающемся объекте совпадают с моментами вспышек известной частоты.

5.4.Контрольные вопросы

21.Определите суть понятия «единство измерений».

22.Какие задачи метрологии охватывает понятие «единство измерений»?

23.Какими документами регламентируется деятельность по обеспечению единства измерений?

24.Каким образом достигается тождественность единиц, в которых проградуированы все существующие СИ одной и той же величины?

25.Каким образом осуществляется воспроизведение основной единицы?

26.Что является технической основой обеспечения единства измерений?

27.Совпадает ли перечень существующих эталонов и перечень принятых ФВ?

28.Какими признаками должен обладать эталон? Поясните суть этих признаков.

29.Перечислите основные виды эталонов. В чем состоит их различие?

30.Какие эталоны являются высшим звеном эталонной базы страны?

31.Опишите современный эталон единицы длины – метр.

32.Что представляет собой эталон единицы массы – килограмм?

33.Приведите определение секунды.

34.Назовите основные виды измерений.

35.Всегда ли можно провести прямые измерения?

36.Приведите примеры прямых, косвенных, совокупных и совместных измерений.

37.Что является целью совместных измерений?

38.Перечислите основные методы измерений.

39.Объясните, чем нулевой метод измерения отличается от дифференциального метода. В чем заключается преимущество нулевого метода перед дифференциальным методом?

40.Укажите, какой метод измерения позволяет получить результат высокой точности при использовании относительно грубых средств измерения.

РАЗДЕЛ 6. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

6.1. Понятие о средстве измерений

Средство измерений – это техническое средство (или комплекс), предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие и (или) хранящие единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени [24]. Данное определение раскрывает метрологическую сущность СИ, заключающуюся в умении хранить (или воспроизводить) единицу ФВ и в неизменности размера хранимой единицы во времени. Первое обуславливает возможность выполнения измерения, суть которого, как известно, состоит в сравнении измеряемой величины с ее единицей. Второе принципиально необходимо, поскольку при изменении размера хранимой единицы ФВ с помощью данного СИ нельзя получить результат с требуемой точностью.

Средство измерения является обобщенным понятием, объединяющим разнообразные конструктивно законченные устройства, которые реализуют одну из двух функций:

−воспроизводят величину заданного (известного) размера, например, гиря – заданную массу, магазин сопротивлений – ряд дискретных значений сопротивления;

−вырабатывают сигнал (показание), несущий информацию о значении измеряемой величины. Показания СИ либо непосредственно воспринимаются органами чувств человека (например, показания стрелочного или цифрового приборов), либо они недоступны

восприятию человеком и используются для преобразования другими СИ.

Последняя функция, являющаяся основной, может быть реализована только посредством измерения. Очевидно, что СИ должны содержать устройства (блоки, модули), которые выполняют эти элементарные операции. Такие устройства называются элементарными средствами измерений. В их число входят измерительные преобразователи, меры и устройства сравнения (компараторы) [25].

Измерительный преобразователь – это техническое средство с нормированными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины Х в другую величину или измерительный сигнал X1 , удобный для обработки, хранения, дальнейших

преобразований, индикации или передачи [24]. Информативным параметром входного сигнала СИ является параметр входного сигнала, функционально связанный с измеряемой величиной и используемый для передачи ее значения или являющийся самой измеряемой величиной.

Мера – это средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного (однозначная мера) или нескольких (многозначная мера) размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Устройство сравнения – это техническое средство, дающее возможность выполнять сравнение выходных сигналов мер однородных величин или же показаний измерительных приборов [24].

Обобщенная структурная схема СИ показана на рис. 6.1 [27]. Входным сигналом является измерительный сигнал, один из параметров которого

ФВ; a1, a2 , K, an – неинформативные параметры входного сигнала.

Неинформативным параметром входного сигнала СИ называется параметр, не используемый для передачи значения измеряемой величины.

Рис. 6.1. Обобщенная структурная схема средства измерения

Входным сигналом Х является измерительный сигнал, один из параметров которого однозначно связан с измеряемой ФВ. Входной сигнал преобразуется измерительным преобразователем в пропорциональный ему сигнал X1 . Следует отметить, что преобразователь может

отсутствовать, тогда входной сигнал будет подаваться непосредственно на один из входов устройства сравнения.

Сигнал со входа измерительного преобразователя поступает на первый вход устройства сравнения, на второй вход которого подается известный сигнал с выхода многозначной меры. Роль меры могут выполнять самые разные устройства. Например, при взвешивании на весах мерой являются гири с известным весом. Во многих простых СИ роль меры выполняют отсчетные шкалы, предварительно проградуированные в единицах измеряемой величины. К таким средствам измерений относятся линейка, термометр, электромеханические вольтметры и др. Значение выходной величины многозначной меры изменяется в зависимости от величины цифрового кода N, который условно считается ее входным сигналом. Изменение кода осуществляется оператором (например, при взвешивании на весах) или автоматически. Так как цифровой код – величина дискретная, то и выходной сигнал меры изменяется ступенями – квантами, кратными единице сравниваемых величин.

Сравнение измеряемой и известной величин осуществляется при помощи устройства сравнения. Роль последнего в простейших СИ, имеющих отсчётные шкалы, выполняет человек. Например, при измерении длины тела он сопоставляет её с многозначной мерой – линейкой и находит количество N квантов меры, равное с точностью до кванта измеряемой длине. Устройство сравнения дает информацию, о том, какое значение выходного сигнала многозначной меры должно быть установлено автоматически или при участии оператора. Процесс измерения прекращается при достижении равенства между величинами X1 и X M с

точностью до кванта [Q].

Выходным сигналом может служить один из трех сигналов: Y1, Y2 , Y3 .

Если выходной сигнал предназначен для непосредственного восприятия человеком, то его роль выполняет сигнал Y1 = N . В данном случае код N

является привычным для человека десятичным кодом. Если же выходной сигнал СИ предназначен для применения в других средствах измерения, то в качестве него может быть использован любой из трех сигналов: Y1, Y2 , Y3 . Первый из них при этом является цифровым, как правило,

двоичным кодом, который «понимают» входные цифровые устройства последующих СИ. Аналоговый сигнал Y2 квантован по уровню и

представляет собой эквивалент цифрового кода N, а СИ в этом случае предназначено для воспроизведения ФВ заданного размера и состоит только из одного блока – многозначной меры. Сигнал Y3 представляет

собой измерительное преобразование входного сигнала X, СИ при этом используется только как измерительный преобразователь, а остальные его блоки отсутствуют.

Таким образом, структурная схема, показанная на рис. 6.1, описывает три возможных варианта: