ЛЕКЦИЯ 2.
Классификация измерений.
Виды измерений.
По способу нахождения числового значения физической величины измерения подразделяются на прямые, косвенные, совокупные и совместные.
Прямые измерения – измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно по показаниям средства измерений (например, измерение тока амперметром).
Косвенные измерения – измерения, при которых искомое значение величины находят расчетом на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, функционально связанными с искомой и определяемыми посредством измерений (например, определение значения сопротивления резистора R =U/I по измеренным значениям напряжения U и тока I).
Совокупные измерения – производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.
Совместные измерения – одновременные измерения двух или нескольких разнородных величин для установления зависимости между ними (ряд одновременных, прямых измерений электрического сопротивления проводника и его температуры для установления зависимости сопротивления от температуры).
Число уравнений должно быть равно числу подлежащих определению величин. (Например, измерение, при котором массы отдельных гирь набора находят по известной массе одной из них и результатам сравнения масс различных сочетаний гирь данного набора, является совокупным измерением; измерение, при котором сопротивление резистора R20 при температуре +20оС и его температурные коэффициенты a,b находят по данным прямых измерений сопротивления Rt и температуры t, выполненных при разных температурах, является совместным измерением: Rt = R20 [1+a(t-20)+b(t-20)2]).
Методы измерений.
Для того, чтобы наилучшим образом производить измерения, нужно быть знакомым с основными методами и принципами измерений.
Под методом измерений понимают совокупность приемов использования принципов и средств измерений, выбранную для решения конкретной измерительной задачи.
Существует много методов измерений, больше, чем будет рассмотрено в лекциях. Мы рассмотрим лишь те, которые применяются более часто.
Это - методы непосредственной оценки и сравнения с мерой.
Метод непосредственной оценки – метод измерений, в котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия, заранее градуированного в единицах измеряемой физической величины. Поскольку данный метод прост, он и наиболее распространен, хотя точность его невысока.
Метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой, т.е. с известным эталонным значением. Этот метод по сравнению с методом непосредственной оценки более точен, но несколько сложен. Метод сравнения имеет следующие основные модификации: нулевой, дифференциальный, замещения. Эти методы определяют принципы построения измерительных приборов. Обязательным является наличие сравнивающего устройства.
Нулевой метод (или метод полного уравновешивания) – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и встречного воздействия меры на сравнивающее устройство сводят к нулю.
Дифференциальный метод – метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор воздействует разность между измеряемой величиной и известной величиной, воспроизводимой мерой. Точность метода возрастает с уменьшением разности между значениями сравниваемых величин. Метод применяют при измерении параметров цепей (сопротивления, индуктивности, взаимоиндуктивности, емкости), напряжения и др.
Метод замещения – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. При этом путем изменения известной величины добиваются такого же показания прибора, которое было при действии измеряемой величины (например, сравнение сопротивления резистора с сопротивлением образцовой катушки, включаемых попеременно в одно и то же плечо моста). Метод замещения часто применяют при измерении параметров цепей.
Средства измерений и их свойства.
Общим термином средства измерений называют технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики, т.е. характеристики, влияющие на результаты и на точность измерений.
Виды средств электрических измерений. По конструктивному исполнению и форме представления измерительной информации средства измерений подразделяются на:
- меры,
- измерительные преобразователи
- электроизмерительные приборы,
- электроизмерительные установки,
- измерительные информационные системы.
Мерами называют средства измерений, предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера. Различают однозначные меры, многозначные меры и наборы мер.
Однозначная мера воспроизводит физическую величину одного размера; многозначная мера воспроизводит ряд одноименных величин разного размера. Например, гиря – однозначная мера массы; измерительный резистор – однозначная мера электрического сопротивления; линейка с делениями – многозначная мера длины; конденсатор переменной емкости с градуированной шкалой – многозначная мера электрической емкости. Набор мер представляет собой специально подобранный комплект мер, применяемых не только по отдельности, но и в различных сочетаниях с целью воспроизведения ряда одноименных величин различного размера. Примерами набора мер являются магазины сопротивлений, емкостей и др.
Измерительными преобразователями называют средства электрических измерений, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.
В зависимости от вида измеряемых величин измерительные преобразователи делятся на две группы:
- преобразователи электрических величин в электрические же величины;
- преобразователи неэлектрических величин в электрические.
К преобразователям электрических величин в электрические относятся шунты, делители напряжения, измерительные трансформаторы и другие устройства. Применение преобразователей позволяет изготовлять приборы на разные пределы измерений, производить измерения относительно больших токов и напряжений приборами, имеющими меньшие пределы измерений и т.д. К преобразователям электрических величин в электрические же величины относятся многочисленные преобразователи, предназначенные для получения сигналов измерительной информации в форме, удобной для ее передачи, преобразования, обработки и хранения. Примерами подобного рода преобразователей являются преобразователи измеряемых электрических величин в код, который может быть использован для передачи измерительной информации по каналам связи или для введения в ЭВМ для последующей обработки по заданной программе или для представления измерительной информации в цифровой форме.
Преобразователи неэлектрических величин в электрические представляют собой обширную группу преобразователей, применяемых при электрических измерениях неэлектрических величин. Примером могут служить различные терморезисторы, индуктивные преобразователи, при помощи которых измеряемая неэлектрическая величина (температура, давление и др.) отображается электрической величиной (электрическое сопротивление, индуктивность и др.), находящейся в определенной функциональной зависимости от измеряемой неэлектрической величины.
Некоторые виды измерительных преобразователей иногда называют датчиками, под которыми понимают конструктивную совокупность одного или нескольких измерительных преобразователей и сопутствующих им конструктивных элементов, размещаемых непосредственно на объекте измерения и удаленных от места отображения, регистрации или обработки измерительной информации. Примерами могут служить датчики кровяного давления космонавта, датчики температуры контролируемого объекта и другие.
Электроизмерительными приборами называют средства электрических измерений, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации, т.е. сигналов, функционально связанных с измеряемыми физическими величинами, в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные приборы состоят из ряда соединенных между собой определенным образом измерительных преобразователей.
Электроизмерительной установкой называется совокупность функционально и конструктивно объединенных средств измерений (мер, преобразователей, приборов) и вспомогательных устройств, предназначенных для рациональной организации измерений. Измерительная установка позволяет предусмотреть определенный метод измерения и заранее оценить погрешности измерений. Например, измерительная установка для измерения мощности в трехфазных цепях.
Измерительные информационные системы (ИИС) представляют собой совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенных для автоматического сбора измерительной информации от ряда источников с многократным (например, поочередным) использованием одних и тех же преобразователей сигналов, несущих измерительную информацию, передачи измерительной информации на те или иные расстояния по каналам связи и представления ее в том или ином виде.