Реализация процессов измерения в метрологии: виды измерений
Для определения значения физической величины (ФВ) в метрологии используются средства измерения (СИ). Получаемое по результатам измерений значение ФВ называется действительным и равно перемножению числового значения в принятых единицах и единицы физической величины.
Различают принципы, методы, а также средства измерений.
Средства измерений – это технические средства, имеющие нормированные метрологические свойства.
Принцип измерений представляет собой физическое явление либо их совокупность, являющиеся основой измерений. К примеру, измерение температуры посредством термоэлектрического эффекта, измерение массы тела путем его взвешивания с использованием силы тяжести.
Методом измерений называется совокупность приемов использования принципов и средств измерений.
Виды измерений
Виды измерений Измерения классифицируют по различным критериям, среди которых:
- характер зависимости измеряемой ФВ от времени измерения;
- способ получения результатов в зависимости от вида уравнения измерений;
- условия, которые определяют точность результата;
- способ выражения результатов измерений;
- способ определения значений искомых ФВ;
- способ получения измерительной информации;
- тип и применяемые СИ.
Характер зависимости измеряемой ФВ от времени измерения
По данному критерию измерения бывают:
При статических измерениях измеряемая физическая величина постоянна во времени. К статическим относятся, например, измерения: постоянного давления, размеров изделия и т.д.
Способ получения результатов в зависимости от вида уравнения измерений
При прямых измерениях значение ФВ находят непосредственно из опытных данных. Формулу прямых измерений можно выразить как Q = X, в которой Q является искомым значением измеряемой ФВ, а X – значением, которое непосредственно получается из опытных данных. К прямым относятся, например, измерения: диаметра с помощью штангенциркуля или микрометра; длины посредством линейки или рулетки; температуры с помощью термометра и т.д.
При косвенных измерениях определение значения ФВ производится на основании известной зависимости между искомой величиной и величинами, значения которых находят прямыми измерениями.
Формула для вычисления значения искомой величины: Q = F(x1, x2 … xN), где Q – вычисляемое значение ФВ; как F обозначена известная функциональная зависимость, а значения x1, x2, …, xN получены прямыми измерениями.
К косвенным, например, относятся: измерение среднего диаметра резьбы методом трех проволочек, определение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров и др.
Широкое распространение косвенные измерения получила в случаях, когда нет возможности (или слишком сложно) измерить искомую величину прямым методом. А иногда величину и вовсе можно измерить только косвенным методом (к примеру, размеры внутриатомного порядка).
При совокупных измерениях значения величин определяются по результатам повторных измерений одной либо нескольких одноименных величин при различных сочетаниях мер либо этих величин.
Для вычисления значения ФВ решается система уравнений, которые составляются по результатам нескольких прямых измерений.
В качестве примера совокупных измерений можно привести нахождение масс отдельных гирь из набора. Другими словами, проводится калибровка по известной массе одной из этих гирь и по результатам прямых измерений и сравнения масс различных сочетаний гирь.
При совместных измерениях одновременно измеряются две или несколько разноименных величин с целью найти функциональную зависимость между ними. Например, в зависимости от температуры стержня определяется его длина.
Условия, которые определяют точность результата
Выделяют три класса измерений:
- максимально возможной точности;
- контрольно-поверочные;
- технические.
В класс измерений максимально возможной точности входят все высокоточные, в первую очередь эталонные измерения. Точность при этом максимально возможная при существующем уровне техники. Пример: измерения физических констант (абсолютное значение ускорения свободного падения и др.).
При контрольно-поверочных измерениях их погрешность с определенной вероятностью не должна быть выше некоторого заданного значения. В класс данных измерений входят измерения, которые выполняют лаборатории госконтроля за соблюдением требований технических регламентов, а также состоянием измерительной техники, а также заводские измерительные лаборатории.
При технических измерениях погрешность результата определяют характеристики средств измерений. Пример: измерения при производстве на промышленных предприятиях.
Способ выражения результатов измерений
В основе абсолютных – прямые измерения одной либо нескольких основных величин или использование значений физических констант. Приведем примеры абсолютных измерений: определение силы электрического тока в амперах (А), длины в метрах (м) и др.
При относительных измерениях искомая величина сравнивается с одноименной, которая играет роль единицы либо принята как исходная. Например: диаметр обечайки измеряется по числу оборотов мерного ролика.
Способ определения значений искомых ФВ
Выделяют 2 основных метода:
- непосредственной оценки;
- сравнения с мерой.
В первом случае значение величины определяется непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. Для примера: измерение давления манометром, длины посредством линейки и т.п.
Во втором случае измеряемая величина сравнивается с воспроизводимой мерой. Пример: с целью измерить диаметр калибра устанавливают оптиметр на ноль по блоку концевых мер длины, а результат измерения получают по показанию стрелки оптиметра (отклонение от нуля). То есть производится сравнение измеряемой величины с размером блока концевых мер.
Способ получения измерительной информации
Тип и применяемые СИ
Выделяют следующие методы измерений:
- инструментальный (его основа – используются специальные технические средства, включая автоматизированные и автоматические);
- экспертный (его основа – суждения группы специалистов);
- эвристический (такие методы основываются на ситуации);
- органолептический (основа – используются органы чувства человека).
Различают также погрешности измерений, о которых речь пойдет в следующей статье.
Источник
Способ получения измерительной информации
3) Принципы и способы получения измерительной информации в автоматических системах.
Управление технологическим процессом возможно на основании получаемой информации о его состоянии и ходе.
Рациональное сокращение номенклатуры технических средств автоматизации и их конструктивных элементов и узлов достигается на основе последовательного применения агрегатных способов построения снизу доверху, начиная от конструирования простейших функциональных блоков и кончая проектированием сложных автоматизированных систем управления.
Получение информации о состоянии объекта управления обеспечивается в ГСП с помощью разнообразных устройств, которые предназначены для выработки сигнала, несущего измерительную информацию как в форме, доступной для непосредственного восприятия оператором, так и в форме, пригодной для использования в АСУ ТП. Соответственно измерительные устройства по виду вырабатываемой ими информации делятся на измерительные приборы и измерительные преобразователи (датчики).
К измерительным приборам относятся устройства, предназначенные для выработки измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия оператором. Измерительные преобразователи (ИП) – это устройства, предназначенные для выработки измерительной информации в форме, удобной для передачи, преобразования, обработки и хранения сигнала, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателя.
Различают ИП с естественными и унифицированными выходными сигналами. Измерительные преобразователи с естественными выходными сигналами — устройства, в которых осуществляется первичное (обычно однократное) преобразование измеряемой физической величины. Несмотря на большое разнообразие измеряемых величин виды естественных выходных сигналов в ГСП удается ограничить десятью. К ИП с естественным представлением информации относится большая группа устройств — термоэлектрические преобразователи, термометры сопротивления, тензорезисторы, дифференциально-трансформаторные датчики. Такие ИП применяются в локальных устройствах контроля и автоматизации либо при централизованном контроле сравнительно простых объектов. Измери-тельные преобразователи с унифицированными выходными сигналами имеют на выходе сигналы, предусмотренные соответствующими стандартами; в большинстве случаев применяются унифицированные сигналы. Для преобразования естественных сигналов в унифицированные в ГСП предусмотрены нормирующие преобразователи.
Структуры ИП несмотря на разнообразие измеряемых величин в АСУ ТП могут быть сведены к четырем видам. Структура однократного прямого преобразования реализуется в ИП с естественными выходными сигналами, например в термоэлектрических преобразователях, датчиках давления и перепада давления.
Если первичное преобразование измеряемой величины не дает удобного для использования сигнала, применяют структуры с несколькими последовательными ИП.
Дифференциальная структура в ИП применяется тогда, когда измерение основывается на сопоставлении результатов преобразования измерительной информации, полученной в реальных и в некоторых эталонных условиях. Преимущество этой структуры по сравнению с предыдущими состоит в значительном уменьшении погрешности, обусловленной изменением параметров источника питания и окружающей среды.
Наиболее совершенной является структура с отрицательной обратной свя-зью, получившая название компенсационной схемы. Достоинство схемы – компенсация изменений параметров измерительного тракта вследствие того, что выходной сигнал непрерывно сравнивается с измеряемой величиной. От-рицательная обратная связь существенно снижает влияние погрешности звеньев прямого канала на результат преобразования.
В современном оборудовании контролю подвергаются: температура в коммутационных аппаратах, узлах электродвигателей, управляемых преобразователей, опорах механизмов; уровни вибраций во всех функционально значимых механических узлах системы; зазоры в механических передачах; усилия и упругие моменты в механизмах; износ технологического оборудования и др.
В качестве основных контрольно-измерительных средств применяются датчики, непосредственно воспринимающие изменения контролируемого параметра и преобразующие эти изменения в механические или электрические сигналы
В основном датчики представляют собой единое изделие (собственно датчик и преобразователь), имеющее на выходе электрические унифициро-ванные сигналы (УС): релейные; непрерывные токовые (0 — 5 мА, 0 — 20 мА) и непрерывные напряжения постоянного тока (0 — 10 мВ, 0 — 50 мВ, 0 — 1 В, 0 — 10 В, 0 – 12 В, 0 – 24 В); непрерывные частотные (1500 — 2500 Гц, 4000 — 8000 Гц); непрерывные напряжения переменного тока 50 Гц (0 – 1 В, 0 – 2 В) и др. Все выше перечисленные электрические сигналы определены стандартами.
Датчики оцениваются по таким характеристикам, как точность, линей-ность и разрешающая способность, частотная характеристика, характеристика шума, входной и выходной импеданс и другим параметрам. По структуре построения в зависимости от способа соединения элементов датчики разделяются на три вида: с последовательным преобразованием, дифференциальные и компенсационные.
Источник
Способ получения измерительной информации
Колчков В.И. МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ. М.:Учебное пособие
3. Метрология и технические измерения
3.2. Виды и методы измерений
Измерение — процесс нахождения значения физической величины опытным путем с помощью средств измерения.
Результатом процесса является значение физической величины Q = qU , где q — числовое значение физической величины в принятых единицах; U — единица физической величины. Значение физической величины Q, найденное при измерении, называют действительным.
Принцип измерений — физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений. Например, измерение массы тела при помощи взвешивания с использованием силы тяжести, пропорциональной массе, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта.
Метод измерений — совокупность приемов использования принципов и средств измерений.
Средствами измерений (СИ) являются используемые технические средства, имеющие нормированные метрологические свойства.
Существует различные виды измерений. Классификацию видов измерения проводят, исходя из характера зависимости измеряемой величины от времени, вида уравнения измерений, условий, определяющих точность результата измерений и способов выражения этих результатов.
- По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения выделяют статические и динамические измерения.
Статические — это измерения, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени. Такими измерениями являются, например, измерения размеров изделия, величины постоянного давления, температуры и др.
Динамические — это измерения, в процессе которых измеряемая величина изменяется во времени, например, измерение давления и температуры при сжатии газа в цилиндре двигателя.
- По способу получения результатов, определяемому видом уравнения измерений, выделяют прямые, косвенные,совокупные и совместные измерения.
Прямые — это измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. Прямые измерения можно выразить формулой Q = X, где Q — искомое значение измеряемой величины, а X — значение, непосредственно получаемое из опытных данных. Примерами таких измерений являются: измерение длины линейкой или рулеткой, измерение диаметра штангенциркулем или микрометром, измерение угла угломером, измерение температуры термометром и т.п.
Косвенные — это измерения, при которых значение величины определяют на основании известной зависимости между искомой величиной и величинами, значения которых находят прямыми измерениями. Таким образом, значение измеряемой величины вычисляют по формуле Q = F(x 1 , x 2 . x N ), где Q — искомое значение измеряемой величины; F — известная функциональная зависимость, x 1 , x 2 , … , x N — значения величин, полученные прямыми измерениями. Примеры косвенных измерений: определение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров, нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения, измерение среднего диаметра резьбы методом трёх проволочек и т.д. Косвенные измерения широко распространены в тех случаях, когда искомую величину невозможно или слишком сложно измерить прямым измерением. Встречаются случаи, когда величину можно измерить только косвенным путём, например размеры астрономического или внутриатомного порядка.
Совокупные — это такие измерения, при которых значения измеряемых величин определяют по результатам повторных измерений одной или нескольких одноименных величин при различных сочетаниях мер или этих величин. Значение искомой величины определяют решением системы уравнений, составляемых по результатам нескольких прямых измерений. Примером совокупных измерений является определение массы отдельных гирь набора, т.е. проведение калибровки по известной массе одной из них и по результатам прямых измерений и сравнения масс различных сочетаний гирь. Рассмотрим пример совокупных измерений, который заключается в проведении калибровки разновеса, состоящего из гирь массой 1, 2, 2*, 5, 10 и 20 кг. Ряд гирь (кроме 2*) представляет собой образцовые массы разного размера. Звездочкой отмечена гиря, имеющая значение, отличное от точного значения 2 кг. Калибровка состоит в определении массы каждой гири по одной образцовой гире, например по гире массой 1 кг. Меняя комбинацию гирь, проведем измерения. Составим уравнения, где цифрами обозначим массу отдельных гирь, например 1 обр обозначает массу образцовой гири в 1 кг, тогда: 1 = 1 обр + a; 1 + 1 обр = 2 + b; 2* = 2 + c; 1 + 2 + 2* = 5 + d и т.д. Дополнительные грузы, которые необходимо прибавлять к массе гири указанной в правой части уравнения или отнимать от неё для уравновешивания весов, обозначены a, b, c, d . Решив эту систему уравнений, можно определить значение массы каждой гири.
Совместные — это измерения, производимые одновременно двух или нескольких разноименных величин для нахождения функциональной зависимости между ними. Примерами совместных измерений являются определение длины стержня в зависимости от его температуры или зависимости электрического сопротивления проводника от давления и температуры.
- По условиям, определяющим точность результата, измерения делятся на три класса.
1. Измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники. В этот класс включены все высокоточные измерения и в первую очередь эталонные измерения, связанные с максимально возможной точностью воспроизведения установленных единиц физических величин. Сюда относятся также измерения физических констант, прежде всего универсальных, например измерение абсолютного значения ускорения свободного падения.
2. Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторого заданного значения. В этот класс включены измерения, выполняемые лабораториями государственного контроля (надзора) за соблюдением требований технических регламентов, а также состоянием измерительной техники и заводскими измерительными лабораториями. Эти измерения гарантируют погрешность результата с определенной вероятностью, не превышающей некоторого, заранее заданного значения.
3. Технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений. Примерами технических измерений являются измерения, выполняемые в процессе производства на промышленных предприятиях, в сфере услуг и др.
- В зависимости от способа выражения результатов измерений различают абсолютные и относительные измерения.
Абсолютными называют измерения, которые основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или на использовании значений физических констант. Примерами абсолютных измерений являются: определение длины в метрах, силы электрического тока в амперах, ускорения свободного падения в метрах на секунду в квадрате.
Относительными называют измерения, при которых искомую величину сравнивают с одноименной величиной, играющей роль единицы или принятой за исходную. Примерами относительных измерений являются: измерение диаметра обечайки по числу оборотов мерного ролика, измерение относительной влажности воздуха, определяемой как отношение количества водяных паров в 1 куб.м воздуха к количеству водяных паров, которое насыщает 1 куб.м воздуха при данной температуре.
- В зависимости от способа определения значений искомых величин различают два основных метода измерений метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой.
Метод непосредственной оценки — метод измерения, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. Примерами таких измерений являются: измерение длины с помощью линейки, размеров деталей микрометром, угломером, давления манометром и т. д.
Метод сравнения с мерой — метод измерения, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, для измерения диаметра калибра оптиметр устанавливают на нуль по блоку концевых мер длины, а результат измерения получают по показанию стрелки оптиметра, являющегося отклонением от нуля. Таким образом, измеряемая величина сравнивается с размером блока концевых мер.Существуют несколько разновидностей метода сравнения:
а) метод противопоставления, при котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, позволяющий установить соотношение между этими величинами, например измерение сопротивления по мостовой схеме с включением в диагональ моста показывающего прибора;
б) дифференциальный метод, при котором измеряемую величину сравнивают с известной величиной, воспроизводимой мерой. Этим методом, например, определяют отклонение контролируемого диаметра детали на оптиметре после его настройки на нуль по блоку концевых мер длины;
в) нулевой метод — также разновидность метода сравнения с мерой, при котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля. Этим методом измеряют электрическое сопротивление по схеме моста с полным его уравновешиванием;
г) при методе совпадений разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, определяют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов. Например, при измерении штангенциркулем используют совпадение отметок основной и нониусной шкал.
- В зависимости от способа получения измерительной информации, измерения могут бытьконтактными и бесконтактными.
- В зависимости от типа, применяемых измерительных средств, различают инструментальный, экспертный, эвристический и органолептический методы измерений.
Инструментальный метод основан на использовании специальных технических средств, в том числе автоматизированных и автоматических.
Экспертный метод оценки основан на использовании суждений группы специалистов.
Эвристические методы оценки основаны на интуиции.
Органолептические методы оценки основаны на использовании органов чувств человека. Оценка состояния объекта может проводиться поэлементными и комплексными измерениями. Поэлементный метод характеризуется измерением каждого параметра изделия в отдельности. Например, эксцентриситета, овальности, огранки цилиндрического вала. Комплексный метод характеризуется измерением суммарного показателя качества, на который оказывают влияние отдельные его составляющие. Например, измерение радиального биения цилиндрической детали, на которое влияют эксцентриситет, овальность и др.; контроль положения профиля по предельным контурам и т. п.
Источник
