2. Средства измерений и их характеристики

Управление – это целенаправленное изменение состояния или параметров машины, объекта, системы, процесса в соответствии с требуемым алгоритмом функционирования.

Автоматическое, т.е. без участия человека, управле-ние включает в себя следующие операции:

- измерение параметров процесса (объекта);

- принятие решения (управляющего воздействия) вы-числительной машиной;

- выполнение (реализация) принятого решения испол-нительным механизмом, воздействующим на процесс (объект).

Получение информации о процессе (объекте), т.е. измерение, является обязательным и необходимым эта-пом процесса управления. Поэтому рассмотрим процесс получения и обработки информации более подробно.

Информация (от лат. informatio- разъяснение, изложе-ние) – общенаучное понятие, включающее обмен сведе-ниями между людьми, человеком и автоматом, автоматом и автоматом.

Измерение – это процесс нахождения значения физи-ческой величины опытным путём с помощью специаль-ных технических средств, имеющих нормированные метрологические характеристики.

Технические измерения – это измерение коли-чественных и качественных характеристик свойств продукции (линейных и угловых размеров, массы, шеро-ховатости и т.п.).

Технологические измерения – измерение режимов, характеристик и параметров технологического процесса (уровня, температуры, давления, расхода, плотности, состава среды и т.п.).

Контроль – операция, заключающаяся в определении соответствия измеряемых величин допускам, установ-ленным на их значения для обеспечения нормального функционирования технического объекта, процесса.

Физической величиной называют характеристику одного из свойств объекта, общую в качественном отно-шении многим физическим объектам, но в количествен-ном отношении индивидуальную для каждого объекта.

Под физическим объектом при этом понимают физические системы, их состояние, происходящие в них процессы, а также объекты физики, химии и других наук, в которых используют физические методы.

Размер физической величины - это количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующее понятию «физическая величина». Из приведённого определения следует, что понятие «размер» служит для отображения объективно существующего количествен-ного различия между физическими объектами по рассмат-риваемому свойству.

Единица физической величины - это физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное единице, и приме-няемая для количественного выражения однородных фи-зических величин.

Объект измерения - это сложное явление или процесс, характеризующийся множеством отдельных физических величин (параметров объекта), каждая из которых может быть измерена в отдельности, но в реальных условиях действующая на измерительное устройство со всеми остальными параметрами.

Физическую величину, которую выбрали для измере-ния, называют измеряемой величиной.

Процесс измерения, как правило, включает в себя следующие этапы: подготовку, проведение измерения (измерительного эксперимента) и обработку его результа-тов.

Средство измерения – это техническое средство, применяемое для проведения измерения и имеющее нормированные метрологические характеристики.

К средствам измерений относят меры, измерительные приборы и преобразователи, а также состоящие из них измерительные установки и системы.

В общем случае средство измерения имеет следующую структурную схему (рис. 2.1).

ИП

ВП

ХX Y₁(Х) Y₂(Х) Y₃(Х)=Y

Рис. 2.1. Структурная схема средства измерения

На этом рисунке приведены следующие обозначения и сокращения:

X – входной сигнал (измеряемая величина);

Y– выходной сигнал;

ПИП – первичный измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина;

ИП – измерительный преобразователь, т.е. техни-ческое средство, служащее для преобразования измеряе-мой величины в другую, удобную для передачи, преоб-разования, обработки и хранения;

ВП – вторичный прибор, т.е. техническое средство, допускающее только считывание и запись показаний зна-чений измеряемой величины.

В соответствии с Рекомендациями РМГ 29-99 «ГСИ. Метрология. Основные термины и определения» метроло-гия (от лат. metron - мера и …логия) – это наука об измерениях, методах, средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

К нормируемым метрологическим характеристикам средств измерений относят:

- диапазон входных (измеряемых) величин;

- диапазон изменения выходного сигнала, как правило, нормированный;

- статическая характеристика;

- чувствительность;

- погрешность измерения;

- класс точности.

Диапазон входных (измеряемых) величин – это область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средств измерения.

Диапазон изменения выходного сигнала – область значений шкалы (лат. scala- лестница), ограниченная её начальным и конечным значениями.

Статическая характеристика – это зависимость выходной величины Yот входнойXв статическом режиме измерения, т.е.Y = f(X).

Она может быть задана таблицей, графически и аналитически. Путём аппроксимации (от греч. приближаюсь), т.е. замены одних математи-ческих объектов другими, в том или ином смысле близкими к исходным, можно зависимость, заданную таблично, представить в аналитическом виде. Вид аналитической зависимости определяет сам экспери-ментатор в соответствии с физическим законом, лежащим в основе работы измерительного преобразования.

В простейших случаях эта аппроксимация может быть линейной

Y = aX + b (2.1)

и квадратичной

Y = aX² + bX + c, (2.2)

где a, b иc – соответствующие коэффициенты.

Статическая характеристика средства измерения, изображённого на рис. 2.1, равна

Y = Y₃( Y₂( Y₁(Х))). (2.3)

Чувствительность средства измерения S

S = , (2.4)

где Y - приращение выходной величины при изменении входной наX, стремящейся к нулю.

В случае последовательного соединения звеньев средства измерения (рис. 2.1) общая чувствительность будет равна произведению чувствительностей входящих в него звеньев, т.е.

S = S₁∙S₂∙S₃; S_i =. (2.5)

Графически чувствительность определяется тангенсом угла наклона касательной, проведённой к выбранной точке статической характеристики. Если статическая характеристика средства измерения нелинейна, то его чувствительность будет различной в разных точках характеристики, а шкала прибора - неравномерной. Средства измерения с линейной или пропорциональной статической характеристикой имеют неизменную в любой точке шкалы чувствительность и равномерную шкалу.

Абсолютная погрешность измерения Xравна

X = X_изм –X_дейст, (2.6)

где X_изм– результат измерения; X_дейст– действительное значение измеряемой величины.

Действительное значение физической величины - значение физической величины, найденное экспе-риментальным путём и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него. Информацию о значении физической величины, получаемую при измерении, называют измерительной информацией.

По размерности различают абсолютную X, относи-тельнуюи приведённую_прпогрешности

, (2.7)

. (2.8)

Класс точности средства измерения – максимальная приведённая погрешность измерения, выраженная в процентах и округлённая до ближайшего большего зна-чения из нормального ряда чисел: (1; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0)ⁿ, гдеn= -2, - 1; 0; 1; 2 и т.д.

Класс точности средств измерений характеризует их точностные свойства, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью этих средств, так как точность зависит также от метода измерений и условий их выполнения.

Класс точности К

К =_{пр max} 100 =100. (2.9)

Поверка – это операция сравнения показаний рабочего (поверяемого) средства измерения с образцовым для определения его погрешности или поправки к его показаниям.

Класс точности образцового средства измерения при поверке должен быть по крайней мере в три раза меньше, чем у поверяемого.

По способу получения численного значения измеряе-мой величины выделяют следующие виды измерений: прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямыми называют такие измерения, при которых значение измеряемой величины определяют непос-редственно из опытных данных (измерение температуры термометром, длины - линейкой).

Косвенными называют такие измерения, при которых измеряемую величину определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Примеры косвенного измерения: определение плотности однородного тела по его массе и геометрическим размерам; удельного электрического сопротивления проводника - по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения, расхода - по перепаду давления на сужающем устройстве и т.п.

При совокупных измерениях числовые значения измеряемой величины вычисляют решением системы уравнений, полученных из совокупности прямых измерений одной или нескольких одноимённых величин (например, определение температурного коэффициента линейного расширения).

Совместные измерения предусматривают одно-временное измерение двух или нескольких неодно-имённых величин для отыскания зависимости между ними.

Совокупные и совместные измерения применяют, как правило, в научно-исследовательской практике.

Прямые измерения проводят следующими основными методами: непосредственной оценки, дифференциаль-ным, противопоставления и нулевым.

Методом непосредственной оценки измеряемая величина преобразуется в выходную величину прибора, т.е. приборы непосредственно показывают измеряемую величину. Метод непосредственной оценки широко используют в приборах промышленного контроля (манометры, термометры и др.).

При дифференциальном (разностном) методе прибор непосредственно определяет разность между измеряемой и некоторой известной величиной (мерой), после чего измеряемую величину находят алгебраическим сложением. Дифференциальный метод широко исполь-зуют в приборах автоматического анализа состава и свойств веществ при наличии мешающих факторов - температуры, шумов и т.п.

Метод противопоставления - это метод сравнения с мерой, при котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами. Значение измеряемой величины находят после достижения равновесия по значению уравновешивающей (известной)

величины. Например, на рычажных весах массу взвеши-ваемого груза определяют по массе установленных гирь.

Нулевой (компенсационный) метод - это метод срав-нения с мерой, при котором результирующий эффект воз-действия величин на прибор сравнения доводят до нуля.