Прямые и косвенные методы измерения

Основные понятия и определения

Сущность процесса измерения. Основные предпосылки

Как Вы уже знаете из дисциплины «Управление, сертификация и инноватика (Метрология, стандартизация и сертификация)», процесс измерения характеризуется, с одной сто­роны, восприятием и отображением физической величины, а, с другой, - нормированием, т. е. присвоением определенного числового значения этой величине.

Рисунок 1.1.1 – Идеализированная схема измерительной системы: X_i – измеряемая величина, X_n – нормированная величина (мера), X_а – показание

Размер х величины Х представляет собой отношение измеряемой величины к величине N, принимаемой за эталон (единицу измерения):

Аналогичное соотношение имеет место для размерности
[d] = [-] · [d]

Для проведения указанных операций должны быть удовлетворены две основные предпосылки:

- подлежащая измерению физическая величина должна быть однозначно определена;

- единицы измерения должны быть установлены соглашением.

В общем случае измерение физической величины - это совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, заключающихся в сравнении (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей с целью получения значения этой величины (или информации о ней) в форме, наиболее удобной для использования. В каждом конкретном случае такой «удобной формой» могут быть показания указателя отсчетного устройства аналогового средства измерения или показания индикатора цифрового измерительного устройства, или информация об измеряемой величине может быть представлена в виде кода. Непрерывный аналоговый сигнал, кодированный сигнал далее используется для различных целей: для управления, хранения информации и других.

Основные понятия и определения

Ниже приведены определения основных понятий в соответствии с международными нормами.

Измерительная техника - обобщающее понятие, охватывающее технические средства, специально предназначенные для измерений.

Примечание. К средствам измерительной техники относят средства измерений и их совокупности (измерительные системы, измерительные установки), измерительные принадлежности, измерительные устройства [1].

Средство измерений - техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени [1].

Рабочее средство измерений – средство измерений, предназначенное для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измерений [1].

Основное средство измерений - средство измерений той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей [1].

Вспомогательное средство измерений - средство измерений той физической величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерений необходимо учитывать для получения результатов измерений требуемой точности.

Пример. Термометр для измерения температуры газа в процессе измерений объемного расхода этого газа [1].

Стандартизованное средство измерений - средство измерений, изготовленное и применяемое в соответствии с требованиями государственного или отраслевого стандарта.

Примечание. Обычно стандартизованные средства измерений подвергают испытаниям и вносят в Госреестр [1].

Нестандартизованное средство измерений (НСИ) - средство измерений, стандартизация требований к которому признана нецелесообразной [1].

Автоматическое средство измерений - средство измерений, производящее без непосредственного участия человека измерения и все операции, связанные с обработкой результатов измерений, их регистрацией, передачей данных или выработкой управляющего сигнала.

Примечание. Автоматическое средство измерений, встроенное в автоматическую технологическую линию, нередко называют измерительный автомат или контрольный автомат. Применяют также понятие измерительные работы, под которыми нередко понимают разновидность контрольно-измерительных машин, отличающихся хорошими манипуляционными свойствами, высокими скоростями перемещений и измерений [1].

Автоматизированное средство измерений - средство измерений, производящее в автоматическом режиме одну или часть измерительных операций.

Примеры.

1. Барограф (измерение и регистрация результатов).

2. Электрический счетчик электроэнергии (измерение и регистрация данных нарастающим итогом) [1].

Измерительный прибор - средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне.

Примечания.

1. По способу индикации значений измеряемой величины измерительные приборы разделяют на показывающие и регистрирующие.

2. По действию измерительные приборы разделяют на интегрирующие и суммирующие. Различают также приборы прямого действия и приборы сравнения, аналоговые и цифровые приборы, самопишущие и печатающие приборы [1].

Измерительная установка - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте.

Примечания.

1. Измерительную установку, применяемую для поверки, называют поверочной установкой. Измерительную установку, входящую в состав эталона, называют эталонной установкой.

2. Некоторые большие измерительные установки называют измерительными машинами.

Примеры.

1. Установка для измерений удельного сопротивления электротехнических материалов.

2. Установка для испытаний магнитных материалов [1].

Измерительная машина (ИМ) - измерительная установка крупных размеров, предназначенная для точных измерений физических величин, характеризующих изделие.

Примеры.

1. Силоизмерительная машина.

2. Машина для измерения больших длин в промышленном производстве.

3. Делительная машина.

4. Координатно-измерительная машина [1].

Измерительная система (ИС) - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта и т. п. с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях.

Примечания.

1. В зависимости от назначения измерительные системы разделяют на измерительные информационные, измерительные контролирующие, измерительные управляющие системы и др.

2. Измерительную систему, перестраиваемую в зависимости от изменения измерительной задачи, называют гибкой измерительной системой (ГИС).

Примеры.

1. Измерительная система теплоэлектростанции, позволяющая получать измерительную информацию о ряде физических величин в разных энергоблоках. Она может содержать сотни измерительных каналов.

2. Радионавигационная система для определения местоположения различных объектов, состоящая из ряда измерительно-вычислительных комплексов, разнесенных в пространстве на значительное расстояние друг от друга [1].

Измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) - функционально объединенная совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения в составе измерительной системы конкретной измерительной задачи [1].

Измерительный преобразователь (ИП) - техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи.

Примечания.

1. ИП или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы и др.), или применяется вместе с каким-либо средством измерений.

2. По характеру преобразования различают аналоговые, цифро-аналоговые, аналого-цифровые преобразователи. По месту в измерительной цепи различают первичные и промежуточные преобразователи. Выделяют также масштабные и передающие преобразователи.

Примеры.

1. Термопара в термоэлектрическом термометре.

2. Измерительный трансформатор тока.

3. Электропневматический преобразователь [1].

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

Примечание. В одном средстве измерений может быть несколько первичных преобразователей.

Примеры.

1. Термопара в цепи термоэлектрического термометра.

2. Ряд первичных преобразователей измерительной контролирующей системы, расположенных в разных точках контролируемой среды [1].

Датчик - конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы.

Примечания.

1. Датчик может быть вынесен на значительное расстояние от средства измерений, принимающего его сигналы.

2. В области измерений ионизирующих излучений применяют термин детектор.

Пример. Датчики запущенного метеорологического радиозонда передают измерительную информацию о температуре, давлении, влажности и других параметрах атмосферы.

Средство сравнения - техническое средство или специально создаваемая среда, посредством которых возможно выполнять сравнения друг с другом мер однородных величин или показания измерительных приборов.

Примечание. Иногда техническое средство снабжается средством измерений, обеспечивающим функцию сравнения.

Примеры.

1. Рычажные весы, на одну чашку которых устанавливается эталонная гиря, а на другую поверяемая, - есть средство для их сравнения.

2. Градуировочная жидкость для сравнения показаний эталонного и рабочего ареометров служит необходимой средой для градуирования рабочих ареометров.

3. Температурное поле, создаваемое термостатом для сравнения показаний термометров, является необходимой средой.

4. Давление среды, создаваемое компрессором, может быть измерено поверяемым и эталонным манометрами одновременно. На основании показаний эталонного прибора градуируется поверяемый прибор [1].

Компаратор - средство сравнения, предназначенное для сличения мер однородных величин.

Примеры.

1. Рыжачные весы.

2. Компаратор для сличения нормальных элементов [1].

Узаконенное средство измерений - средство измерений, признанное годным и допущенное для применения уполномоченным на то органом.

Примеры.

1. Государственные эталоны страны становятся таковыми в результате утверждения первичных эталонов национальным органом по стандартизации и метрологии.

2. Рабочие средства измерений, предназначенные для серийного выпуска, узакониваются путем утверждения типа [1].

Измерительные принадлежности - вспомогательные средства, служащие для обеспечения необходимых условий для выполнения измерений с требуемой точностью.

Примеры.

1. Термостат.

2. Барокамера.

3. Специальные противовибрационные фундаменты.

4. Устройства, экранирующие влияние электромагнитных полей.

5. Тренога для установки прибора по уровню [1].

Измерительная цепь - совокупность элементов средств измерений, образующих непрерывный путь прохождения измерительного сигнала одной физической величины от входа до выхода.

Примечание. Измерительную цепь измерительной системы называют измерительным каналом [1].

Измерительное устройство - часть измерительного прибора (установки или системы), связанная с измерительным сигналом и имеющая обособленную конструкцию и назначение.

Пример. Измерительным устройством может быть названо регистрирующее устройство измерительного прибора (включающее ленту для записи, лентопротяжный механизм и пишущий элемент), измерительный преобразователь [1].

Индикатор - техническое средство или вещество, предназначенное для установления наличия какой-либо физической величины или превышения уровня ее порогового значения.

Пример. Индикатором наличия (или отсутствия) измерительного сигнала может служить осциллограф. Индикатор близости к нулю сигнала называют нулевым или нуль-индикатором. При химических реакциях в качестве индикатора применяют лакмусовую бумагу и какие-либо вещества. В области измерений ионизирующих излучений индикатор часто дает световой и (или) звуковой сигнал о превышении уровнем радиации его порогового значения [1].

Чувствительный элемент средства измерений - часть измерительного преобразователя в измерительной цепи, воспринимающая входной измерительный сигнал [1].

Измерительный механизм средства измерений - совокупность элементов средства измерений, которые обеспечивают необходимое перемещение указателя (стрелки, светового пятна и т. д.).

Пример. Измерительный механизм милливольтметра состоит из постоянного магнита и подвижной рамки [1].

Показывающее устройство средства измерений - совокупность элементов средства измерений, которые обеспечивают визуальное восприятие значений измеряемой величины или связанных с ней величин [1].

Указатель средства измерений - часть показывающего устройства, положение которой относительно отметок шкалы определяет показания средства измерений.

Примеры.

1. У барометра-анероида указателем является подвижная стрелка.

2. У ртутного термометра - поверхность столбика
жидкости [3].

Регистрирующее устройство средства измерений - совокупность элементов средства измерений, которые регистрируют значение измеряемой или связанной с ней величины [1].

Шкала средства измерений - часть показывающего устройства средства измерений, представляющая собой упорядоченный ряд отметок вместе со связанной с ними нумерацией.

Примечание. Отметки на шкалах могут быть нанесены равномерно или неравномерно. В связи с этим шкалы называют равномерными или неравномерными [1].

Отметка шкалы - знак на шкале средства измерений (черточка, зубец, точка и др.), соответствующий некоторому значению физической величины [1].

Числовая отметка шкалы - отметка шкалы средства измерений, у которой проставлено число. [1]

Деление шкалы - промежуток между двумя соседними отметками шкалы средства измерений [1].

Длина деления шкалы - расстояние между осями (или центрами) двух соседних отметок шкалы, измеренное вдоль воображаемой линии, проходящей через середины самых коротких отметок шкалы [1].

Цена деления шкалы - разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы средства измерений [1].

Длина шкалы - длина линии, проходящей через центры всех самых коротких отметок шкалы средства измерений и ограниченной начальной и конечной отметками.

Примечания.

1. Линия может быть реальной или воображаемой, кривой или прямой.

2. Длина шкалы выражается в единицах длины независимо от единиц, указанных на шкале [1].

Начальное значение шкалы - наименьшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений.

Пример. Для медицинского термометра начальным значением шкалы является 34,3 °С [1].

Конечное значение шкалы - наибольшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений.

Пример. Для медицинского термометра конечным значением шкалы является 42 °С [1].

Табло цифрового измерительного прибора - показывающее устройство цифрового измерительного прибора [1].

Метрологическая характеристика средства измерений (МХ) - характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений и на его погрешность.

Примечания.

1. Для каждого типа средств измерений устанавливают свои метрологические характеристики.

2. Метрологические характеристики, устанавливаемые нормативно-техническими документами, называют нормируемыми метрологическими характеристиками, а определяемые экспериментально - действительными метрологическими характеристиками [1].

Показание средства измерений - значение величины или число на показывающем устройстве средства измерений [1].

Вариация показаний измерительного прибора – разность показаний прибора в одной и той же точке диапазона измерений при плавном подходе к этой точке со стороны меньших и больших значений измеряемой величины.

Примечание. В высокочувствительных (особенно в электронных) измерительных приборах вариация приобретает иной смысл и может быть раскрыта как колебание его показаний около среднего значения (показание «дышит») [1].

Диапазон показаний средства измерений - область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы [1].

Диапазон измерений средства измерений - область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений.

Примечание. Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно нижним пределом измерений или верхним пределом измерений [1].

Чувствительность средства измерений - свойство средства измерений, определяемое отношением изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины [1].

Порог чувствительности средства измерений - характеристика средства измерений в виде наименьшего значения изменения физической величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным средством.

Примечания.

1. Если самое незначительное изменение массы, которое вызывает перемещение стрелки весов, составляет 10 мг, то порог чувствительности весов равен 10 мг.

2. Кроме терминов, указанных выше, на практике применяются также термины: реагирование и порог реагирования, подвижность средства измерений и порог подвижности, срабатывание и порог срабатывания. Иногда применяют термин пороговая чувствительность. Это свидетельствует о том, что терминология для выражения понятий, связанных со свойствами средства измерений реагировать на малые изменения измеряемых величин, еще не устоялась. В целях упорядочения терминологии эти термины следует рассматривать как синонимы и не применять их [1].

Разрешение средства измерений - характеристика средства измерений, выражаемая наименьшим интервалом времени между отдельными импульсами или наименьшим расстоянием между объектами, которые фиксируются прибором раздельно.

Примечание. Исходя из указанного определения различают временное разрешение и пространственное разрешение [1].

Градуировочная характеристика средства измерения - зависимость между значениями величин на входе и выходе средства измерений, полученная экспериментально.

Примечание. Градуированная характеристика может быть выражена в виде формулы, графика или таблицы [1].

Смещение нуля - показание средства измерений, отличное от нуля, при входном сигнале, равном нулю [1].

Примечание. Различают смещение механического нуля, наблюдаемое как отклонение указателя от нуля шкалы приборов с механическими указателями, и смещение электрического нуля, наблюдаемое как существование выходного сигнала при нулевом входном сигнале приборов [1].

Дрейф показаний средства измерений - изменение показаний средства измерений во времени, обусловленное изменением влияющих величин или других факторов.

Пример. Ход хронометра, определяемый как разность поправок к его показаниям, вычисленных в разное время. Обычно ход хронометра определяют за сутки (суточный ход).

Примечание. Если происходит дрейф показаний нуля, то применяют термин дрейф нуля [1].

Зона нечувствительности средства измерений - диапазон значений измеряемой величины, в пределах которого ее изменения не вызывают выходного сигнала средства измерений.

Примечание. Иногда зону называют мертвой. Она наблюдается вблизи некоторых радионавигационных систем или измерительных установок. Например, зона нечувствительности у судовой радиолокационной установки, зависящая от размеров судна и высоты антенны радиолокационной установки над судовыми надстройками [1].

Средства поверки - эталоны, поверочные установки и другие средства измерений, применяемые при поверке в соответствии с установленными правилами.

Примечание. Применительно к одному средству термин может применяться в единственном числе - средство поверки [1].

Тип средства измерений - совокупность средств измерений одного и того же назначения, основанных на одном и том же принципе действия, имеющих одинаковую конструкцию и изготовленных по одной и той же технической документации.

Примечание. Средства измерений одного типа могут иметь различные модификации (например, отличаться по диапазону измерений) [1].

Вид средства измерений - совокупность средств измерений, предназначенных для измерений данной физической величины.

Примечание. Вид средств измерений может включать несколько их типов.

Пример. Амперметры и вольтметры (вообще) являются видами средств измерений, соответственно, силы электрического тока и напряжения [1].

Метрологическая неисправность средства измерений - состояние средства измерений, при котором все нормируемые метрологические характеристики соответствуют установленным требованиям [1].

Метрологическая надежность средства измерений - надежность средства измерений в части сохранения его метрологической исправности [1].

Метрологический отказ средства измерений - выход метрологической характеристики средства измерений за установленные пределы.

Пример. Если погрешность средства измерений класса точности 0,01 стала превышать 0,01%, то это значит, что произошел метрологический отказ и средство измерений уже не соответствует установленному ранее классу точности. Если не установлены технические неполадки, то средству измерений может быть присвоен другой, более низкий класс точности.

Калибровка средств измерений - совокупность операций, выполняемых в целях определения действительных значений метрологических характеристик средств измерений [2].

Поверка средств измерений (далее также - поверка) – совокупность операций, выполняемых в целях подтверждения соответствия средств измерений метрологическим требованиям [2].

Технические требования к средствам измерений - требования, которые определяют особенности конструкции средств измерений (без ограничения их технического совершенствования) в целях сохранения их метрологических характеристик в процессе эксплуатации средств измерений, достижения достоверности результата измерений, предотвращения несанкционированных настройки и вмешательства, а также требования, обеспечивающие безопасность и электромагнитную совместимость средств измерений [2].

Методика (метод) измерений - совокупность конкретно описанных операций, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с установленными показателями точности [2].

Прямое измерение -измерение, при котором искомое значение величины получают непосредственно от средства измерений [2].

Ввод в эксплуатацию средства измерений - документально оформленная в установленном порядке готовность средства измерений к использованию по назначению [2].

Аттестация методик (методов) измерений - исследование и подтверждение соответствия методик (методов) измерений установленным метрологическим требованиям к измерениям [2].

Нормальные условия измерений - условия измерения, характеризуемые совокупностью значений или областей значений влияющих величин, при которых изменением результата измерений пренебрегают вследствие малости.

Примечание. Нормальные условия измерений устанавливаются в нормативных документах на средства измерений конкретного типа или по их поверке (калибровке) [1].

Нормальное значение влияющей величины - значение влияющей величины, установленное в качестве номинального.

Примечание. При измерении многих величин нормируется нормальное значение температуры 20 °С или 293 К, а в других случаях нормируется 296 К (23°С). На нормальное значение, к которому приводятся результаты многих измерений, выполненные в разных условиях, обычно рассчитана основная погрешность средств измерений [1].

Нормальная область значений влияющей величины - область значений влияющей величины, в пределах которой изменением результата измерений под ее воздействием можно пренебречь в соответствии с установленными нормами точности.

Пример. Нормальная область значений температуры при поверке нормальных элементов класса точности 0,005 в термостате не должна изменяться более чем на ± 0,05 °С от установленной температуры 20 °С, т. е. быть в диапазоне от 19,95 до 20,05 °С [1].

Рабочая область значений влияющей величины - область значений влияющей величины, в пределах которой нормируют дополнительную погрешность или изменение показаний средства измерений [1].

Рабочие условия измерений - условия измерений, при которых значения влияющих величин находятся в пределах рабочих областей.

Примеры.

1. Для измерительного конденсатора нормируют дополнительную погрешность на отклонение температуры окружающего воздуха от нормальной.

2. Для амперметра нормируют изменение показаний, вызванное отклонением частоты переменного тока от 50 Гц (50 Гц в данном случае принимают за нормальное значение частоты) [1].

Рабочее пространство - часть пространства (окружающего средство измерений и объект измерений), в котором нормальная область значений влияющих величин находится в установленных пределах [1].

Предельные условия измерений - условия измерений, характеризуемые экстремальными значениями измеряемой и влияющих величин, которые средство измерений может выдержать без разрушений и ухудшения его метрологических характеристик [1].

Критериями отнесения технических средств к средствам измерений являются:

- техническое средство, представляющее собой механическое, электрическое, оптическое, электронное или работающее на каком-либо ином принципе (принципах) техническое устройство (аппарат, прибор, механизм или техническая система), предназначенное для выполнения измерений;

- измерения, которые выполняются рассматриваемыми техническими средствами, характеризуются или могут быть характеризованы показателями точности измерений [3].

В случае если техническое средство наряду с основными функциями выполняет функции измерений, которые характеризуются или могут быть характеризованы показателями точности измерений, то данное средство может быть отнесено к техническим системам и устройствам с измерительными функциями [3].

Методы измерения

Прямые и косвенные методы измерения

Метод прямого измерения характеризуется тем, что искомое измеряемое значение физической величины находят непосредственно сравнением с образцовой мерой этой величины.

Например, измерение веса сравнением с весом тарированных гирь (мерой веса); измерение вязкости жидкости сравнением вязкостью эталонной жидкости (мерой вязкости).

К прямым методам в широком смысле относятся все измерительные устройства с непосредственным отсчетом. Так как измеренное значение, считываемое по шкале, является результатом измерения, шкала измерительного устройства должна быть проградуирована по образцовой мере. Несмотря на то, что при этом реализация меры, заложенная в измерительном устройстве, не соответствует измеряемой величине, тем не менее, вследствие проведенной градуировки осуществляется сравнение ее с мерой. Показание термометра «сравнивает» измеряемую температуру с температурой, указанной при градуировке. При измерении напряжения прибором с поворотной рамкой внутри прибора производится сравнение моментов: мера представлена моментом спиральной пружины, а сравнение с образцовой мерой напряжения реализовано при градуировке.

Косвенный метод измерения характеризуется тем, что искомое измеряемое значение зависит от других физических величин и определяется на основе использования этой зависимости.

Так, эталоны производных величин получают из основных эталонов посредством косвенных измерений. Например, при измерении давления грузопоршневым манометром его определяют расчетным путем исходя из площади поршня, массы и гравитационной постоянной.

При косвенном методе измерения следует различать измеренное значение и результат измерения [4].

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: