Измерение как физический процесс

Измерениемназывается нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Результат измерения есть значение физической величины, найденной путем ее измерения. Результат измерения в общем случае получают из многих измеренных значений по известным соотношениям. В простейшем случае результатом измерения является отдельное измеренное значение.

Измерения основаны на некоторой совокупности физических явлений, представляющих собой принцип измерения.

Измерения осуществляются при помощи технических средств измерений, используемых при измерениях и имеющих нормированные метрологические параметры.

Объект измерения, средство измерения, окружающая среда и наблюдатель образуют единую физическую систему, между элементами которой имеют место взаимодействия и обмен энергией (см. рисунок).

Если измеряемая физическая величина пассивная (объект измерения – параметрического типа, например, резистор и его сопротивление), то для её измерения в объект требуется ввести энергию (создать электрическое поле, пропустить ток и т. д.) и свести измерения измеряемого параметра к изменению другого.

Если измеряемая физическая величина активная (объект измерения – генераторного типа, например, источник ЭДС и его разность потенциалов), то в процессе измерения может быть использована часть энергии самого объекта.

Средство измерения (СИ) представляет собой совокупность пассивных и активных материальных объектов и источников энергии, взаимодействующих между собой. Работа самого СИ и индикаторных устройств также сопровождается потреблением и выделением энергии.

Средства измерений делятся на:

‑ меры

‑ измерительные преобразователи

‑ измерительные приборы

‑ измерительные установки

‑ измерительные системы.

Мера– средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины данного размера (например, единицы измерения, ее дробного размера).

Измерительный преобразователь– средство измерений для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Измерительный прибор – средство измерения, предназначено выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительная установка– совокупность функционально объединенных средств измерений, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем и расположенная в одном месте. Измерительная установка может содержать в своем составе меры, измерительные приборы, а также различные вспомогательные устройства.

В связи с усложнением технологических процессов в современной промышленности для их эффективного контроля и оптимального управления ими требуется получение информации о большом числе параметров объектов, а также оперативная обработка этой информации. Это привело к появлению и развитию сложных систем, предназначенных для автоматического сбора и переработки информации. Такие системы получили название измерительных систем.

Измерительная система– совокупность средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) 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 автоматических системах управления.

Измерительная информация‑ это количественная оценка состояния материального объекта, получаемая экспериментально, путем сравнения параметров объекта с мерой.

Без получения измерительной информации, т. е. количественных сведений о значениях разнообразных физических величин, невозможны ведение технологических процессов, выработка и распределение электроэнергии, добыча и транспортировка топлива, руд, разведка недр и другие области деятельности человека.

Измерительный сигнал‑ определенный процесс, несущий информацию о значении измеряемой величины.

Измерение любой физической величины – это эксперимент, который включает в себя следующие процедуры:

‑

выделение измеряемой физической величины из многих других, в том числе и одноимённых (например, шум или помеха), присущих объекту измерения и окружающим телам;

‑ преобразование измеряемой физической величины в другую, связанную с первой однозначно;

‑ сравнение измеряемой физической величины с мерой.

Для каждой из этих процедур используются соответствующие методы и средства.

Вся описанная выше совокупность взаимодействий приводит к тому, что сигналы, несущие информацию об измеряемой физической величине, «обрастают» дополнительными составляющими или искажаются. Эти дополнения и искажения, наряду с методическими погрешностями, приводят к инструментальным систематическим и случайным погрешностям измерений.

Информативным параметром входного сигнала называется тот параметр процесса, который является изменяемым или функционально связан с измеряемой величиной.

Неинформативным параметром называется параметр входного сигнала, который функционально не связан с измеряемой величиной. Такой параметр, однако, может оказывать воздействие на измерительное средство и быть источником погрешностей.

Измерительное преобразование физических величин

Входной величиной измерительного прибора является его измеряемая величина. Наибольшее и наименьшее значения измеряемой величины, для которых нормированы погрешности, называются пределами измерения.

Область значений, заключенная между верхним и нижним пределами измерения, называется диапазоном измерений. От диапазона измерений следует отличатьдиапазон показаний, который охватывает область значений шкалы, ограниченную конечным и начальным значениями шкалы. Таким образом, диапазон измерений, охватывающий часть шкалы, в пределах которой измерения могут быть проведены с нормируемой погрешностью, более узок, чем диапазон показаний, охватывающий всю шкалу.

Выходной величиной измерительного прибора является изменение состояния отсчетного устройства, например положения стрелки стрелочного прибора.

Измерительное преобразование – однозначное преобразование одной физической величины в другую физическую величину или сигнал, функционально с ней связанные, удобные для обработки, хранения и дальнейшего преобразования.

Любой метод измерения по существу сводится к совокупности отдельных измерительных преобразований.

Измерительный преобразователь представляет собой техническое устройство, построенное на определённом физическом явлении и выполняющее одно частное преобразование. Кроме термина «первичный измерительный преобразователь» используется близкий к нему термин – «датчик».

Электрический датчик – это один или несколько измерительных преобразователей, служащих для преобразования измеряемой неэлектрической величины в электрическую и объединенных в единую конструкцию.

Термин датчик обычно применяют в сочетании с физической величиной, для первичного преобразования которой он предназначен: датчик температуры, давления, мощности и т. д.

Чувствительный элемент‑ воспринимает измеряемое свойство объекта и преобразует его в другую физическую величину.

Пример преобразователей:

Тензочувствительные преобразователи (тензорезисторы).Тензорези́стор(от лат.tensus‑ напряжённый и лат.resisto‑ сопротивляюсь) ‑ резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации. Тензорезисторы используются в тензометрии. С помощью тензорезисторов можно измерять деформации механически связанных с ними элементов, Тензорезистор является основной составной частью тензодатчиков, применяющихся для косвенного измерения силы, давления, веса, механических напряжений, крутящих моментов и пр.

В основу работы преобразователей положен тензоэффект, заключающийся в изменении активного сопротивления проводника (полупроводника) под действием вызываемого в нем механического напряжения и деформации. Если проволоку подвергнуть механическому воздействию, например растяжению, то ее сопротивление изменится. Относительное изменение сопротивления проволокиR/R = k l/l,

где k‑ коэффициент тензочувствительности,l/l‑ относительная деформация проволоки. Изменение сопротивления проволоки при механическом воздействии на нее объясняется изменением геометрических размеров (длины, диаметра) и удельного сопротивления материала.

Чувствительность –отношение изменения выходной величины измерительного прибора или измерительного преобразователя к вызвавшему ее изменению входной величины. Чувствительность определяется выражением S = dy/dx и может быть определена при любом способе задания функции преобразования.

Статические характеристики и погрешности измерительных преобразователей

Основная статическая характеристика измерительного преобразователя – функция преобразования.

Функция преобразования – это функциональная зависимость выходной величиныyот входнойx.

Эта зависимость может описываться аналитически,графическиилив виде таблицы.

В случае аналитического описания зависимость будет иметь вид y = f (x). В аналитическую функцию преобразования обычно входят конструктивные параметры прибора или преобразователя и поэтому она используется при расчете и проектировании. Функция реального преобразователя определяется экспериментально. в ходе опыта определяется зависимость выходной величины от входной. Для упрощения анализа полученной функции по табличным данным строится график. Обычно стремятся иметь линейную функцию преобразования.

Различают три вида функции преобразования:

Номинальная– указывается в документации на ИП.

Индивидуальная– устанавливается путём экспериментальных исследований данного экземпляра измерительного преобразователя при определённых значениях влияющих величин.

Действительная– реализуется в данных условиях, в данное время, в данном месте.

Отклонение действительной (реальной) функции преобразования от номинальной составляет погрешность средства измерения или измерительного преобразователя. Эта погрешность называют инструментальной. Обычно рассматривают четыре вида отклонений:

1. Сдвиг реальной функции преобразования от номинальной

2. Изменение чувствительности измерительного преобразователя

3. Наличие нелинейности функции преобразования

4. Гистерезис²

Методы измерения