Министерство образования РФ

Омский государственный технический университет

БИРЮКОВ С.В., ЧЕРЕДОВ А.И.

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

Учебное пособие

Омск 2001

УДК 389(075)

ББК 30.10 я 73

Б 64

Рецензенты:

Е.П. Дьяков, ректор Сибирского института бизнеса и

информационных технологий, канд. техн. наук;

Б.В. Железняков, главный технолог ФГУП ОПЗ

"Нефтехимавтоматика"

Бирюков С.В., Чередов А.И.

Б 64 Методы и средства измерений: Учебное пособие. - Омск: Изд-во

ОмГТУ, 2001. - 88 с.

Рассмотрены основные понятия измерений, общие вопросы планирования и организации измерений, методы уменьшения погрешностей измерений, приведена классификация измерительных преобразователей неэлектрических величин. Рассмотрены наиболее широко используемые первичные преобразователи неэлектрических величин, их принцип действия, конструкции, характеристики и области применения.

Учебное пособие предназначено для студентов электротехнических специальностей, и в частности для студентов специальности 190900 "Информационно-измерительная техника и технологии", может быть полезно для других специальностей, изучающих вопросы, связанные с измерениями различных физических величин.

С С.В. Бирюков, А.И. Чередов, 2001

С Омский государственный технический

университет, 2001

ВВЕДЕНИЕ

Развитие науки, управление технологическими процессами немыслимы без получения количественной информации о тех или иных свойствах физических объектов. Измерения - единственный способ получения количественной информации о величинах, характеризующих те или иные физические объекты, физические явления и процессы. Современная информационно-измерительная техника располагает средствами измерения нескольких сот различных электрических (электрическое напряжение, электрическое сопротивление и др.) и неэлектрических (тепловых, механических, оптических и др.) величин. Число, подлежащих измерению неэлектрических величин, интересующих науку, производство, медицину во много раз больше числа электрических величин. 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 [1]:

1. Простотой изменения чувствительности в широком диапазоне измеряемых значений. Использование электронной техники позволяет повысить чувствительность измерительного прибора в тысячи раз, что дает возможность измерять такие величины, которые другими методами не могут быть измерены.

2. Малой инерционностью (широким частотным диапазоном), что позволяет проводить измерения как медленно меняющихся, так и быстро меняющихся во времени величин.

3. Возможностью создания комплексных измерительно-информационных систем, передачи результатов измерения на большие расстояния, математической обработки и использования их для создания управляющих систем.

4. Возможностью комплектования измерительных и обслуживаемых ими автоматических систем из блоков однотипной электронной аппаратуры.

Благодаря этим преимуществам электрические средства измерений заняли ведущее место при измерении как электрических, так и неэлектрических величин.

1. Основные понятия и определения

Понятие "измерение" встречается в различных науках (физике, химии, математике и др.), но в каждой из них оно может трактоваться по-разному. Наука об измерениях рассматривает теорию измерений физических величин, методы и средства измерений, методы обработки результатов измерений и оценки их точности [2]. Термины и определения в области измерений физических величин регламентируются стандартами. Рассмотрим основные понятия измерений физических величин.

Существует несколько определений понятия "измерение". Большинство говорит о том, что измерение - это процесс получения информации, т. е. измерение представляет собой информационный процесс, результатом которого является получение измерительной информации.

Измерительная информация- это количественная оценка состояния материального объекта, получаемая экспериментально, путем сравнения параметров объекта с мерой.

Измерительная информация представляется в числовой форме и в дальнейшем используется либо оператором, либо автоматизированной системой для обработки, хранения и передачи этой информации.

В соответствии с ГОСТ 16263-70 измерениемназывается нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Результат измеренияесть значение физической величины, найденное путем его измерения.

Для проведения измерения необходимо иметь объект измерения и средство измерения. В качестве объекта измерения выступает та или иная физическая величина.

Физическая величина- это свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам (системам, их состояниям и происходящим в них процессам), но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта.

Примерами физических величин являются электрический ток, масса, расстояние, давление и др.

Понятие "Физическая величина" является синонимом"физическому свойству" и его нельзя использовать для выражения только количественной стороны рассматриваемого свойства. Нельзя писать"величина массы ", "величина давления»и т. п., так как эти свойства (масса, давление и т. д.) сами являются величинами.

Не все физические свойства реальных объектов являются физическими величинами (форма тела, фигуры).

Основной задачей измерений является получение информации о значении физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц.

Единица физической величины- это физическая величина, которой по определению присвоено численное значение, равное 1.

Оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц называется значением физической величины.

Физическая величина может характеризоваться истинным ее значением. Истинное значение физической величины- значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта.

Следует отметить, что экспериментально определить истинное значение невозможно. Результат измерения дает только оценку истинного значения физической величины с некоторой погрешностью. Поэтому при необходимости вместо истинного значения используют действительное значение физической величины.

Действительное значение физической величины- значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.

В основе измерений лежат те или иные физические явления. Совокупность физических явлений, на которых основаны измерения, представляет собойпринцип измерений. Измерения осуществляются с помощью технических средств измерений.

Согласно ГОСТ 16263-70 совокупность приемов использования принципов и средств измерений - это метод измерений.

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

По характеру участия в процессе измерений все средства измерений (в дальнейшем для сокращения - СИ) можно разделить на пять основных групп: меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы [2].

Рассмотрим, что включает в себя каждая из групп СИ.

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

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

Одним из элементов ИП является чувствительный элемент, который определяется как часть измерительного преобразователя в измерительной цепи, воспринимающая входную величину [3].

Датчик - конструктивно обособленный первичный измерительный преобразователь, от которого поступают сигналы измерительной информации (он "дает" информацию).

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.

В литературе для обозначения ИП, выполняющего функцию восприятия входной величины и формирования измерительного сигнала, наряду с термином "датчик" используется термин "сенсор".

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

Измерительная установка- это совокупность функционально объединенных средств измерений, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, и расположенная в одном месте (индукционно-импульсная установка и др.). Измерительная установка может содержать: меры, измерительные приборы и вспомогательные устройства.

Измерительная система- это совокупность средств измерений (мер, ИП, 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 автоматических системах управления.

В общем случае средство измерений рассматривается как воплощение одного или нескольких методов измерений, знание которых способствует правильной организации и проведению процесса измерений [4].