microbik.ru
1
Лекция 2 Измерение, классификация измерений, методы измерений, средства измерений, эталоны единиц электрических измерений
Измерением называется процесс нахождения значения ФВ опытным путем с помощью специальных технических средств.

Метрологическая суть измерения сводится к основному уравнению метрологии:

А=kA0,

Где А – значение измеряемой ФВ; А0 – значение величины, принятой за образец, k – отношение измеряемой величины к образцу.

Любое измерение заключается в сравнении путем физического эксперимента данной величины с некоторым ее значение, принятым за единицу сравнения, с так называемой мерой.

Получаемая при измерениях ФВ информация называется измерительной.

Измерять можно лишь свойства реально существующих объектов познания, отражаемые физическими величинами. Измерение основывается на экспериментальных процедурах. Никакие теоретические рассуждения или расчеты сами по себе не могут классифицироваться как измерение.

Количественные и качественные проявления любого свойства отражаются множествами, которые образуют шкалы измерения.

Шкала физической величины – упорядоченная последовательность значений физической величины, принятая по результатам точных измерений.

Различают 4 типа шкал: шкала наименований, шкала порядка, шкала интервалов и шкала отношений.

Шкала наименований – основана на приписывании объекту цифр (или знаков), играющих роль простых имен. Это приписывание служит для нумерации предметов только с целью их идентификации или для нумерации. Это то же, что и наименование, поэтому с цифрами такой шкалы нельзя производить никаких арифметических действий.

Шкала порядка предполагает упорядочение объектов относительно какого-либо определенного их свойства, т.е. расположение их в порядке возрастания или убывания данного свойства. Полученный таким образом упорядоченный ряд называют ранжированным, а саму процедуру – ранжированием. По шкале порядка сравнивают однородные объекты, у которых значения интересующих свойств неизвестны. Т.о. ранжированный ряд может дать ответы на вопросы типа «больше-меньше», «лучше-хуже» и т.д. Назвать процедуру оценивания свойств объекта по шкале порядка измерением можно только с большой натяжкой. Результаты оценивания по шкале порядка тоже не могут подвергаться никаким арифметическим действиям. Небольшое усовершенствование такой шкалы, тем не менее, позволяет применить ее для численной оценки величин, если отсутствует единица величины. Расположив объекты в порядке возрастания того или иного свойства, некоторые точки ранжированного ряда фиксируют в качестве реперных (отправных). Совокупность реперных точек образует своего рода «лестницу» - шкалу возможных проявлений соответствующего свойства (натуральную шкалу). Реперным точкам можно поставить в соответствие цифры – баллы, таким образом, появляется возможность «измерения» данного свойства в баллах. Например, для измерения скорости ветра в 1805 году Бофортом была предложена натуральная шкала скорости ветра в баллах, которая использовалась до 1964 года, когда международным соглашением был принят ее перевод в м/с. По натуральным шкалам до сих пор оценивают интенсивность землетрясений, морское волнение, твердость минералов и др. Основным недостатком натуральных шкал является полное отсутствие уверенности в том, что интервалы между выбранными реперными точками являются равновеликими, а следовательно, по такой шкале невозможно выделить единицу измерения и оценить погрешность полученной оценки.

Шкала интервалов отличается от натуральной тем, что для ее построения определяют единицу ФВ. На шкале интервалов откладывают разность значений ФВ, сами же значения остаются неизвестными. Например, шкалы температур.

Деление шкалы интервалов на равные части – градации – устанавливает единицу физической величины, что позволяет не только выразить результат измерения в числовой мере, но и оценить погрешность измерения.

Результаты измерений по шкале интервалов можно складывать друг с другом, или вычитать друг из друга, т.е. определять, на сколько одно значение больше другого. Определить по шкале интервалов, во сколько раз одно значение величины больше или меньше другого нельзя, поскольку на этой шкале не определено начало отсчета физической величины. В то же время, это можно сделать в отношении интервалов, например, разность температур в 25 градусов в 5 раз больше разности температур в 5 градусов.

Шкала отношений – это интервальная шкала с естественным началом. Например, если за начало температурной шкалы принять абсолютный ноль, то по такой шкале можно определять не только на сколько одно значение больше или меньше другого, но и во сколько раз: Т12=n.

В общем случае, при сравнении между собой двух величин Х по такому правилу значения n, расположенные в порядке возрастания или убывания, образуют шкалу отношений. Она охватывает интервал значений n от 0 до ∞ и, в отличие от шкалы интервалов, не содержит отрицательных значений. Шкала отношений является наиболее совершенной и информативной. Результаты измерений по шкале отношений можно складывать, вычитать, перемножать или делить.

Из описания различных типов шкал следует, что определению измерения соответствуют только процедуры определения разностей величин по шкале интервалов или определение величины по шкале отношений.

Измерения как экспериментальные процедуры классифицируются по разным признакам.

По способу нахождения искомого значения измеряемой величины различают прямые, косвенные, совместные и совокупные измерения.

Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно по показаниям средства измерений (пример – измерение тока амперметром, промежутка времени – секундомером и т.д.).

Косвенное измерение – измерение, при котором искомое значение величины находят расчетом на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, функционально связанными с искомой и определяемыми посредством измерений. Например, измерение мощности, рассеиваемой на сопротивлении может быть выполнено расчетом по формуле Р=I2R на основании измерения тока I и сопротивления резистора R.

Совместные измерения – одновременные измерения двух и более разнородных величин для установления зависимости между ними (например, ряд одновременных прямых измерений электрического сопротивления проводника и его температуры для установления зависимости сопротивления от температуры).

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 (например, нахождение значений массы отдельных гирь набора по известному значению массы одной из гирь).

Измерения бывают однократными (или простыми), и многократными (или статистическими).

По режиму работы средства измерения различают статические и динамические измерения. Если показания средства измерения не зависят от его динамических свойств (т.е. от отставания показаний средства измерения от истинного значения величины в каждый момент времени, т.е. от инерции – механической, тепловой, электрической), или когда этой зависимостью можно пренебречь, говорят, что средство измерения работает в статическом режиме, а само измерение называют статическим. В противном случае измерение называют динамическим.

Под методом измерений понимают совокупность приемов использования принципов и средств измерений, выбранную для решения конкретной измерительной задачи. В понятие метода измерений входит и теоретическое обоснование принципов измерения, и разработка приемов применения средств измерения.

Искомое значение физической величины находится посредством сопоставления ее с мерой, материализующей единицу этой величины. В зависимости от способа применения меры различают способы непосредственной оценки и методы сравнения. При измерении методом непосредственной оценки искомое значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству средства измерения, которое предварительно проградуировано в соответствующих единицах. Метод сравнения с мерой – метод измерения, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой, при этом мера непосредственно участвует в процессе измерений, в отличие от метода непосредственной оценки. В методе сравнения обязательным является наличие сравнивающего устройства.

Метод сравнения с мерой имеет несколько разновидностей – нулевой метод (метод полного уравновешивания, например, определение массы объекта на равноплечих весах), дифференциальный метод (полного уравновешивания не происходит, а разность между измеряемой величиной и мерой отсчитывается по шкале прибора), метод замещения (измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой, например, взвешивание на пружинных весах), метод совпадений (используют совпадение отметок шкал или периодических сигналов для определения разности между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, например, измерение числа оборотов вала с помощью стробоскопа – вал периодически освещается вспышками света, и частоту вспышек подбирают так, чтобы метка, нанесенная на вал, казалась наблюдателю неподвижной).
Средства измерений – технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики, т.е. характеристики, влияющие на результат измерения. По конструктивному исполнению и форме представления измерительной информации средства измерений подразделяются на меры, измерительные приборы, измерительные установки, измерительные системы, измерительные преобразователи.

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения одного или нескольких фиксированных значений физической величины.

Измерительный прибор – средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. В зависимости от формы представления сигнала различают аналоговые и цифровые приборы (аналоговый – показания являются непрерывной функцией измеряемой величины, цифровой – осуществляется преобразование аналогового сигнала измерительной информации в цифровой код, и результат измерения отражается на цифровом табло).

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенная для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем и расположенная в одном месте.

Измерительная система – совокупность средств измерений 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 системах управления, контроля, диагностики и пр. Их условно делят на информационно-измерительные системы (ИИС), измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) и компьютерно-измерительные системы (КИС).

Измерительный преобразователь – средство измерений, предназначенное для преобразования сигналов измерительной информации в форму, целесообразную для передачи, обработки и хранения. Измерительная информация на выходе измерительного преобразователя, как правило, недоступна для непосредственного восприятия наблюдателем. Все измерительные преобразователи обладают нормированными метрологическими характеристиками. (Например, термопары, измерительные преобразователи тока и напряжения, измерительные усилители и пр.)

По реализации процедуры измерения средства измерений бывают элементарными и комплексными. Элементарные предназначены для реализации отдельных операций прямого измерения (это меры, устройства сравнения и измерительные преобразователи; каждое из них в отдельности не может произвести операцию измерения). Комплексные средства измерений предназначены для реализации всей процедуры измерения (это измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы)

По отношению к измеряемой физической величине средства измерений подразделяются на основные (ср-ва изм. той ФВ, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей) и вспомогательные (ср-ва изм. той ФВ, влияние которой на основное ср-во изм. или объект изм. необходимо учесть для получения результатов требуемой точности).

По роли, выполняемой в системе обеспечения единства измерений, средства измерений подразделяются на метрологические и рабочие. Метрологические – предназначены для воспроизведения и (или) хранения единицы или передачи размера единицы рабочим средствам измерений. Рабочие – предназначены для измерений, не связанных с передачей размера единиц.

По уровню автоматизации – неавтоматические, автоматизированные (производящие в автоматическом режиме одну или часть измерительной операции) и автоматические (производящие в автоматическом режиме измерения и все операции, связанные с обработкой их результатов, регистрацией, передачей данных или выработкой управляющих сигналов).

По уровню стандартизации – на стандартизованные (т.е. изготовленные в соответствии с требованиями соответствующего государственного или иного стандарта) и нестандартизованные (или уникальные, т.е. применяемые для решения специфических измерительных задач в специальных направлениях науки и техники).
Эталоны единиц величин

Эталон – средство измерения (или комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и (или) хранение единицы физической величины с наивысшей точностью для данного уровня развития измерительной техники с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке.

Перечень эталонов не повторяет перечня физических величин. Для ряда единиц эталоны не создаются из-за того, что нет возможности непосредственно сравнить соответствующие величины, например, нет эталона площади. Не создаются эталоны и в том случае, если единица величины воспроизводится с достаточной точностью на основе сравнительно простых средств измерений других физических величин.

Конструкция эталона, его свойства и способ воспроизведения единицы определяются природой данной ФВ и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений. Эталон должен обладать, по крайней мере, тремя взаимосвязанными свойствами: неизменностью, воспроизводимостью, сличаемостью.

Неизменность – свойство эталона удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы физической величины в течение длительного интервала времени. При этом все измерения, зависящие от внешних условий, должны быть строго определенными функциями величин, доступных точному измерению.

Воспроизводимость – возможность воспроизведения единицы физической величины с наименьшей погрешностью для существующего уровня развития измерительной техники.

Сличаемость – возможность сличения с эталоном других средств измерений, нижестоящих по поверочной схеме, в первую очередь вторичных эталонов, с наивысшей точностью для существующего уровня развития техники измерений.

Эталоны классифицируют в зависимости от метрологического назначения.

Первичный эталон – эталон, обеспечивающий воспроизведений единицы с наивысшей в стране точностью (к первичным относятся специальные, государственные, национальные и международные эталоны). В случае, когда одним первичным эталоном технически нецелесообразно обслуживать весь диапазон измеряемой величины, создают несколько первичных эталонов, охватывающих части этого диапазона с таким расчетом, чтобы был охвачен весь диапазон.

Вторичный эталон – эталон, значение которого устанавливают по первичному эталону. Создаются и утверждаются в случае необходимости для проведения поверочных работ, а также для меньшего износа первичных эталонов. Делятся на эталоны-свидетели (для проверки сохранности и неизменности первичных эталонов, замены их в случае утраты или порчи, имеется только у килограмма), эталоны-копии (предназначенные для передачи размера единицы рабочим эталонам), эталоны сравнения (применяются для взаимного сличения эталонов, которые по тем или иным причинам нельзя непосредственно сравнить между собой, например, международные сличения эталонов), рабочие эталоны (предназначены для поверки образцовых и наиболее точных рабочих средств измерения). Последние при необходимости разделяются на разряды, определяющие порядок их соподчинения в соответствии с поверочной схемой.

Совокупность всех перечисленных эталонов создает эталонную базу страны.

Созданием и хранением первичных эталонов, а также передачей размеров единиц занимаются, как правило, национальные метрологические центры (институты, бюро и пр.) Наиболее развитыми центрами мировой метрологии в настоящее время являются:

  • Международное Бюро мер и весов (Париж) – межгосударственное научно-исследовательское учреждение, работающее под юрисдикцией Международного Комитета мер и весов;

  • Национальный институт стандартов и технологий США (NIST)

  • Федеральный физико-технический институт Германии (PTB)

  • Национальная физическая лаборатория Англии

  • Национальное бюро по метрологии Франции.

Говоря об эталонах и системах единиц необходимо сказать о фундаментальных физических константах, которые являются, как правило, характерными коэффициентами фундаментальных физических теорий. По определению физическая константа – это физическая величина, которая имеет неизменное значение при определенных обстоятельствах в избранной системе единиц. Другими словами, ее значение, определенное экспериментально в избранной системе единиц, остается неизменным при любых условиях и содержит информацию про наиболее общие (фундаментальные) свойства материи. Среди таких величин – скорость света в вакууме, электрическая и магнитная постоянные, постоянная Планка, элементарный электрический заряд и т.д.

В начале 20 века немецкий физик Макс Планк показал, что основные единицы могут быть составлены из фундаментальных физических констант – скорости света, постоянной Планка и гравитационной постоянной. Зная эти константы, можно вычислить единицы длины, времени и массы. Однако Планковские единицы находятся очень далеко от используемых на практике диапазонов, кроме того, значение гравитационной постоянной до сих пор не определено с достаточной точностью, впрочем, как и постоянной Планка. Но главный их недостаток – они не воспроизводятся с помощью реальных физических объектов. Именно поэтому планковские единицы не используются в метрологии.

Эталоны основных электрических величин

Основной единицей электрических величин является единица силы тока – ампер (А).

Производные от ампера единицы физических величин:

  • Единица электродвижущей силы (ЭДС) и напряжения – вольт (В);

  • Единица частоты – герц (Гц)

  • Единица электрического сопротивления – ом (Ом)

  • Единица индуктивности и взаимной индуктивности двух катушек – генри (Гн)

  • Единица электрической емкости – фарад (Ф).

Все перечисленные единицы воспроизводятся и хранятся посредством Государственных первичных эталонов.