Основы измерительной техники

Изучив материал главы, студент должен: знать

• • общетеоретические основы измерительной техники;
• • принципы работы измерительной аппаратуры; уметь
• • проводить статистическую обработку результатов измерений; владеть
• • профессиональными навыками выбора и использования измерительной техники.

  Классификация измерений

  Все измерения классифицируют по шести направлениям.

При помощи таблиц статистических распределений ряд измерений может быть исследован по правилам математической статистики при числе измерений п > 4. Измерение можно считать многократным при числе измерений не менее четырех. Во многих случаях чаще всего производятся однократные измерения (например, измерение времени по часам). Однако при некоторых измерениях для уверенности в правильности результата однократного измерения может быть недостаточно. Поэтому рекомендуется проводить не одно, а несколько измерений. Например, ввиду нестабильности артериального давления человека при его контроле целесообразно проводить два или три измерения, а за результат принимать их медиану. От многократных измерений двукратные и трехкратные измерения отличаются тем, что их точность не имеет смысла оценивать статистическими методами.

3. По характеру изменения измеряемой величины статические и динамические.

Статическое измерение — измерение величины, которая принимается в соответствии с поставленной измерительной задачей за неизменяющуюся на протяжении периода измерения. Например, измерение линейного размера изготовленного изделия при нормальной температуре можно считать статическим, поскольку колебания температуры в цехе на уровне десятых долей градуса вносят погрешность в измерения не более 10 мкм/м, несущественную по сравнению с погрешностью изготовления детали. Поэтому в этой измерительной задаче можно считать измеряемую величину неизменной. При калибровке штриховой меры длины на государственном первичном эталоне гермостатирование обеспечивает стабильность поддержания температуры на уровне 0,005°С. Такие колебания температуры обусловливают в 1000 раз меньшую погрешность измерений — не более 0,01 мкм/м. Но в данной измерительной задаче она является существенной, и учет изменений температуры в процессе измерений становится условием обеспечения требуемой точности измерений. Поэтому эти измерения следует проводить по методике динамических измерений.

Динамическое измерение — измерение величины, размер которой изменяется с течением времени. Быстрое изменение измеряемой величины требует ее измерения с точнейшим определением момента времени. Например, измерение расстояния до уровня поверхности Земли с воздушного шара или измерение постоянного напряжения электрического тока. По существу, динамическое измерение является измерением функциональной зависимости измеряемой величины от времени.

4. По цели измерения — технические и метрологические.

Технические измерения — измерения с целью получения информации о свойствах материальных объектов, процессов и явлений окружающего мира. Их производят, например, для контроля и управления экспериментальными разработками, контроля технологических параметров продукции или всевозможных производственных процессов, управления транспортными потоками, в медицине при постановке диагноза и лечении, контроля состояния экологии и др. Технические измерения проводят, как правило, при помощи рабочих средств измерений. Однако нередко к проведению особо точных и ответственных уникальных измерительных экспериментов привлекают эталоны.

Метрологические измерения — измерения для реализации единства и необходимой точности технических измерений.

К ним относят:

• • воспроизведение единиц и шкал физических величин первичными эталонами и передачу их размеров менее точным эталонам;
• • калибровку средств измерений;
• • измерения, производимые при калибровке или поверке средств измерений;
• • другие измерения, выполняемые с этой целью (например, измерения при взаимных сличениях эталонов одинакового уровня точности) или удовлетворения других внутренних потребностей метрологии (например, измерения с целью уточнения фундаментальных физических констант и справочных стандартных сведений о свойствах материалов и веществ, измерения для подтверждения заявленных измерительных возможностей лабораторий).

Метрологические измерения проводят при помощи эталонов. Очевидно, что продукция, предназначенная для потребления (промышленностью, сельским хозяйством, армией, государственными органами управления, населением и др.) создается с помощью технических измерений. А система метрологических измерений — это инфраструктура системы технических измерений, необходимая для того, чтобы последняя могла существовать, развиваться и совершенствоваться.

5. По используемым размерам единиц — относительные и абсолютные.

Относительное измерение — измерение отношения величины к одноименной величине, являющейся эталоном единицы. Например, относительным измерением является определение активности радионуклида в источнике методом измерения ее отношения к активности радионуклида в ином источнике, аттестованном как эталонная мера величины.

Противоположным понятием является абсолютное измерение. При проведении этого измерения в распоряжении экспериментатора не имеется единицы измеряемой величины. Поэтому приходится ее воспроизводить непосредственно в процессе измерений. Это делается двумя способами [7]:

• • получение «непосредственно из природного мира», т. е. воспроизведение его на основе использования физических законов и фундаментальных физических констант;
• • воспроизведение единицы на основании известной зависимости между ней и единицами других величин.

В связи с вышесказанным можно определить абсолютное измерение следующим образом: абсолютное измерение — это измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величии и (или) использовании значений фундаментальных физических констант. Например, измерение силы с помощью динамометра будет относительным измерением, а ее измерение путем использования физической константы g (ускорение всемирного тяготения) и мер массы (основной величины в международной системе единиц) — абсолютным.

Внедрение и метрологическое обеспечение относительных измерений, как правило, являются наилучшим решением многих измерительных задач, поскольку они являются более простыми, точными и надежными, чем абсолютные измерения. Абсолютные измерения в том смысле, которому больше соответствует понятие «фундаментальное измерение», на практике должны применяться в виде исключения. Их сфера применения — независимое воспроизведение основных единиц международной системы единиц и открытие новых физических закономерностей.

6. По способу получения результата измерений — совокупные, совместные, косвенные и прямые.

Прямое измерение — эго измерение, проведенное при помощи средства измерения, хранящего единицу или шкалу измеряемой величины. Например, измерение длины изделия штангенциркулем, электрического напряжения вольтметром и т. п.

Косвенное измерение — измерение, когда значение величины определяют на основании результатов прямых величин, функционально связанных с искомой.

Совокупные измерения — когда проводят измерение одновременно нескольких однородных величин, а значения этих величин находят путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях различных сочетаний этих величин. Классический пример совокупных измерений — калибровка набора гирь по одной эталонной гире, проводимая путем измерений различных сочетаний гирь этого набора и решения полученных уравнений.

Совместные измерения — это проводимые одновременно измерения двух или нескольких разнородных величин для определения зависимости между ними. Другими словами, совместные измерения — это измерения зависимостей между величинами. Примером совместных измерений является измерение температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР). Оно проводится путем одновременных измерений изменения температуры образца испытываемого материала и соответствующего приращения его длины и последующей математической обработки полученных результатов измерений.

Следует также различать область, вид и подвид измерений.

Под областью измерений понимают совокупность измерений физических величин, свойственных какой-то области техники или науки и имеющих свою специфику.

В настоящее время выделяют следующие области измерений:

• • измерения пространственно-временных величин;
• • механические измерения (в том числе измерения кинематических и динамических величин, механических свойств материалов и веществ, механических свойств и форм поверхностей);
• • измерения теплоты (термометрия, измерения тепловой энергии, теплофизических свойств веществ и материалов);
• • электрические и магнитные измерения (измерения электрических и магнитных полей, параметров электрических цепей, характеристик электромагнитных волн, электрических и магнитных свойств веществ и материалов);
• • аналитические (физико-химические) измерения;
• • оптические измерения (измерения величин физической оптики, когерентной и нелинейной оптики, оптических свойств веществ и материалов);
• • акустические измерения (измерения величин физической акустики и акустических свойств веществ и материалов);
• • измерения в атомной и ядерной физике (измерения ионизирующих излучений и радиоактивности, а также свойств атомов и молекул).

Вид измерений — это часть области измерений, которая имеет свои специфические особенности и которая отличается однородностью измеряемых величин. Например, в области магнитных и электрических измерений возможно выделить измерения электрического сопротивления, электрического напряжения, ЭДС, магнитной индукции и г. д.

Подвид измерений — это часть вида измерений, которая выделяется спецификой измерений однородной величины (по диапазону, размеру величин, условиям измерений и др.). Например, в измерениях длины выделяют измерения как больших длин (десятки, сотни и тысячи километров), так малых и сверхмалых длин.