Лекция 5 Общие сведения о средствах измерений.

Общие сведения об измерениях

В физике для описания явлений, процессов и свойств тел или систем используются количественные характеристики – физические величины. Значения физических величин получают в ходе их измерения с помощью специальных тех­нических средств. Измерить физическую величину – значит сравнить ее с однородной величиной, принятой за единицу. В результате получают числовое значение физической величины в принятых единицах.

Единицы измерения не являются объектами природы, а представляют лишь вспомогательный аппарат, применяемый для ее изучения. Поэтому в принципе возможно бесконечное множество единиц измерения. Но на практике удобно пользоваться единой системой единиц.

В СССР в 1963 г. была введена Международная система единиц СИ. В качестве основных в этой системе используются семь единиц, через которые выражаются остальные единицы, именуемые производными. Основными в системе СИ выбраны единицы следующих физических величин: массы - килограмм (кг); длины - метр (м); времени - секунда (с); силы тока - ампер (А); термодинамической температуры - кельвин (К); силы све­та - кандела (кд); количества вещества - моль (моль).

Для проведения измерений используются специальные технические средства, которые по назначению разделяются на меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи и вспомогательные средства. Совокупность различных средств измерений может образовывать измерительные установки и системы.

Мерой называется средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного раз­мера; это вещественно воспроизведенная (изготовленная) единица измерения. Различают однозначные меры, многозначные меры и наборы мер. Однозначная мера воспроизводит физическую величину одного размера (например, конденсатор постоян­ной емкости, гиря). Многозначная мера воспроизводит ряд значений одноименных физических величин различного размера (конденсатор переменной емкости, вариометр ин­дуктивности, линейка с миллиметровыми делениями и т.п.). Набор мер представляет собой специально подобранный комплект мер для воспроизведения ряда значений однои­менных величин различного размера, причем меры могут применяться как отдельно, так и в различных сочетаниях (магазины сопротивлений, емкостей, набор гирь). Магазин мер – это набор мер, конст­руктивно объединенных в одно целое.

Измерительные приборы позволяют получить информацию о значениях измеряемой величины в форме, доступной для непосредственного вос­приятия наблюдателем. Они могут быть классифицированы по различным признакам. В частности, измери­тельные приборы подразделяются на аналоговые, показания которых являются непрерывной функцией измеряемой величины, и цифровые, которые автоматически вырабатывают дискретные сигналы измерительной информации и дают показания в цифровой форме.

В состав многих измерительных приборов и установок входят измерительные преобразователи, предназначенные для выработки сигналов изме­рительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблю­дателем. Примером являются терморезисторы, делители напряжения, измерительные механизмы электромеханических приборов и др.

Измерительная установка представляет совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств. Она предназначена для вы­работки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, и расположена в одном месте.

Совокуп­ность средств измерений и вспомогательных устройств, сое­диненных между собой каналами связи, называется измерительной системой.

Все измерения физических величин подразделяются на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямое измерение – это определение значения измеряемой величины непосредственно с помощью средств измерения. Так можно найти массу тела с помощью весов, измерить силу тока амперметром и др.

При косвенных измерениях значение физической величины определяется по формуле, связывающей ее с другими величинами, полученными в ходе прямых измерений. Например, так измеряется плотность тел по массе и объему, сопротивление по силе тока и напряжению и т.д.

При совокупных измерениях одновременно измеряют несколько однородных величин, а их искомые значения находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

Совместные измерения состоят в одновременном измерении двух или нескольких не одноименных величин для нахождения зависимости между ними. Измерения могут проводиться методом непосредственной оценки или сравнения с мерой.

Измерительные приборы, которые осуществляют одно или несколько преобразований сигнала измерительной информации в одном направлении в цепи преобразований, называют прибора­ми прямого преобразования. Измерительные приборы, в которых наряду с цепью прямого преобразования имеется цепь обратного преобразования сигнала измерительной информации, называют приборами уравновешивающего преобразования или приборами сравнения, так как в них происходит сравнение измеряемой вели­чины с известной величиной, однородной с измеряемой. В некото­рых случаях производится сравнение эффектов, производимых указанными величинами.

В зависимости от применяемых средств (узлов) среди элек­троизмерительных аналоговых приборов прямого преобразова­ния выделяют следующие группы приборов: электромеханиче­ские, электромеханические с преобразователями и электронные.

К группе электромеханических приборов относят электроиз­мерительные приборы, в которых энергия электромагнитного по­ля преобразуется в механическую энергию перемещения подвиж­ной части прибора.

К группе электромеханических приборов с преобразователя­ми относят электромеханические приборы с предварительными преобразователями входного сигнала с целью расширения воз­можностей измерения различных величин.

К группе электронных аналоговых приборов относят прибо­ры, использующие электронные узлы для преобразования сигна­ла измерительной информации и электромеханический (чаще всего магнитоэлектрический) измерительный механизм.

По роду измеряемой величины электроизмерительные прибо­ры делят на следующие группы: амперметры — для измерения тока; вольтметры — для измерения напряжения; омметры — для измерения сопротивления и т. п.

В зависимости от степени усреднения измеряемой величины выделяют приборы, дающие показания мгновенных значений измеряемой величины, и приборы интегрирующие, показания которых определяются интегралом по времени или по другой независимой переменной от измеряемой величины.

По характеру установки на месте применения приборы быва­ют стационарными, предназначенными для жесткого крепления, и переносные, не предназначенные для жесткого крепления.

В зависимости от степени защищенности от климатических и механических воздействий приборы выполняют обыкновенны­ми, пыле-, водо-, брызгозащищенными, герметическими, вибро-, удароустойчивыми и др.

Для испытаний крупных объектов, т. е. когда необходимо измерять большое число физических величин, производить обра­ботку измерительной информации, воздействовать на объект в процессе испытаний и т. д., применяют измерительные информа­ционные системы.

Измерительная информационная система — совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки с целью представления потребителю (в том числе ввода в АСУ) в требуемом виде либо автоматического осуществления логиче­ских функций контроля, диагностирования, идентификации (рас­познавания образцов).

В последние годы получили применение измерительно-вычис­лительные комплексы (ИВК), которые представляют собой авто­матизированные средства измерений и обработки измерительной информации. Их отличительной чертой является наличие в ком­плексе свободно программируемой ЭВМ, которая используется не только для обработки результатов измерения, но и для управ­ления самим процессом измерения, а также для управления воздействием (если это необходимо) на объект исследования. ИВК — разновидность ИИС.

В настоящее время имеется тенденция выпускать средства измерений, которые могут использоваться не только автономно, но и в составе систем. Такие средства называют средствами изме­рений системного применения. В этих средствах широко исполь­зуются средства вычислительной техники. ИВК и другие средства измерений, содержащие средства вычислительной техники, обра­зуют группу измерительно вычислительных (процессорных) средств.

Для выполнения массовых технологических измерений при­меняются измерительные установки. Измерительной установкой называют совокупность функционально и конструктивно объеди­ненных средств измерений и вспомогательных устройств, предна­значенных для рациональной организации измерений. Электро­измерительные установки используют, например, для градуиров­ки и поверки электроизмерительных приборов.

Все средства измерений по выполняемым метрологическим функциям делят на образцовые и рабочие. Образцовые средства измерений предназначены для поверки с их помощью других рабочих средств измерений. Рабочие средства используют для выполнения всех измерений, кроме измерений, связанных с по­веркой, т. е. передачей размера единиц величин.