Обновлено: 05.07.2024

Электроизмерения и электроизмерительная техника, роль и значение измерений

Электрические измерения, относящиеся к наиболее обширным областям техники, затрагивают все отрасли человеческой деятельности.

Содержание раздела Электрические измерения на сайте в большей степени сосредоточено на области электрических измерений, используемых в электротехнической практике, т. к. измерения при техническом обслуживании, ремонте и капитальном ремонте электрооборудования являются одним из важнейших мероприятий, влияющих на безопасность и надежность электрооборудования.

Успешное измерение и получение правильных результатов предполагает не только внимательное считывание данных измерительного прибора, но и правильный выбор метода измерения и подбор подходящих средств измерений.

В настоящее время на рынке представлено несколько поколений средств измерений, и их развитие продолжается. Тем не менее, принципы измерения, измерительные приборы и методы измерения остаются прежними.

Что такое измерение

Измерение принадлежит к числу древнейших операций, применяемых человеком в общественной практике, и с развитием общества все больше и больше проникает в различные области деятельности.

Измерение есть познавательный процесс: после измерения некоторой величины мы об этой величине всегда знаем нечто большее, чем это было до измерения: узнаем ее размер, что часто является для нас источником ряда дополнительных сведений, узнаем представление об этой величине, ее связи с другими величинами и т. д.

Процесс измерения есть физический эксперимент: измерение не может осуществляться умозрительно, путем лишь одних теоретических выкладок и т. п.

Измерение физической величины есть сравнение с некоторым значением такой же самой физической величины, принятым за единицу: измерять, например, длину можно только сравнением ее с какой-то определенной длиной.

Из приведенного выше определения вытекает, что для выполнения какого-либо измерения в общем случае необходимы:

мера — вещественное воспроизведение единицы измерения, например при взвешивании необходима гиря ;

измерительный прибор — техническое средство для осуществления процесса сравнения измеряемой величины с мерой.

Наличие меры абсолютно необходимо для выполнения измерения. Правда, в некоторых случаях мера как будто отсутствует при измерении: например, при взвешивании на циферблатных весах гири непосредственно могут и не применяться, однако это не означает, что при таком измерении мера не участвует: шкала этих весов предварительно была проградуирована с помощью соответствующих гирь .

Следовательно, в шкале таких весов как бы заложена мера массы, которая участвует, таким образом, при каждом взвешивании.

Точно так же при измерении электрического сопротивления с помощью омметра н е требуется п рименения мер сопротивления, однако без них можно обойтись вэтом случае только потому, что при изготовлении омметра его шкала была проградуирована с применением образцовых мер сопротивления, которые в скрытом виде участвуют при каждом применении прибора .

С другой стороны, измерительный прибор не всегда требуется для производства измерения: при простейших измерениях достаточно иметь только меру, прибор же может и отсут ст вовать.

Прямые, косвенные и совокупные измерения

По способу получения результата измерения надо различать:

Прямыми измерениями называются такие измерения, при которых измерению подвергается непосредственно сама интересующая нас величина: взвешивание на весах для определения массы какого-то тела, измерение длины путем непосредственного сравнения данного расстояния с соответствующей мерой длины, измерение электрического сопротивления с помощью омметра, электрического тока с помощью амперметра и т. п.

Прямые измерения являются весьма распространенным видом технических измерений. Косвенными измерениями называются такие измерения, при которых непосредственному измерению подвергается не сама интересующая нас величина, а некоторые другие величины, с которыми измеряемая величина находится в определенной зависимости; определив значения этих величин (путем прямых измерений) и пользуясь известной зависимостью между этими величинами и измеряемой величиной, можно подсчитать значение измеряемой величины.

Например, для определения удельного электрического сопротивления некоторого материала измеряют длину проводника, изготовленного из этого материала, площадь его поперечного сечения и его электрическое сопротивление. По результатам этих измерений можно подсчитать искомое удельное сопротивление.

Косвенные измерения сложнее прямых, но они применяются в технике и научных исследованиях довольно часто, тем более, что во многих случаях прямые измерения некоторых величин оказываются практически невыполнимыми.

Совокупными измерениями называются такие измерения, в которых искомый результат измерения выводится из результатов нескольких групп прямых или косвенных измерений отдельных величин, функциональная связь с которыми интересующих нас величин выражается в виде неявных функций.

По результатам групп прямых или косвенных измерений ряда величин составляется система уравнений, решение которой и дает значения интересующих нас величин.

Роль измерений и значение метрологии в современном обществе

Развитие науки и техники неразрывно связано с развитием и совершенствованием средств измерения. Постановка каждой новой научной или технической задачи заставляет искать новые средства измерения, а совершенствование средств измерения способствует развитию новых отраслей науки и техники.

Накопление научных и прикладных знаний в области электричества и магнетизма чрезвычайно обогатило теорию и технику измерений и привело к образованию самостоятельной и разветвленной отрасли — электроизмерительной техники.

Электроизмерительная техника охватывает методы электрических измерений, проектирование и производство необходимых для этого технических средств (измерительных приборов), а также вопросы практического их использования.

В настоящее время объектами электрических измерений прежде всего являются все электрические и магнитные величины (ток, напряжение, мощность, электрическая энергия, количество электричества, частота тока, магнитные свойства материалов и т. д.).

Однако благодаря высокой точности, чувствительности и большому экспериментальному удобству электрических методов измерений, все шире распространяются приемы измерений, сводящиеся к предварительному преобразованию подлежащих измерению величин в пропорциональную им электрическую величину, которая затем непосредственно и измеряется.

Такие методы измерения, получившие название "не электрические измерения неэлектрических величин " (температуры, давления, влажности, скорости, ускорения, вибраций, упругих деформаций и т. п.), завоевали самое широкое признание, так как они обеспечивают значительное расширение диапазона измерений, повышение быстродействия и точности измерительных устройств, передачу значений измеряемых величин на расстояние, выполнение математических операций н ад измеряемыми величинами и большее удобство записи их во времени.

Электроизмерительная техника играет роль важнейшего фактора научно-технического прогресса в эксплуатации энергетических систем, а измерение электрических параметров энергетических установок является стимулом для рационализации энергетического хозяйства.

Исключительно важное значение электроизмерительная техника имеет также при контроле производственных процессов в самых различных отраслях промышленности, при контроле качества материалов, полуфабрикатов и многих изделий, в геологоразведочных работах и в самых разнообразных научных исследованиях, где методы электрических и магнитных измерений позволяют получить наиболее точные результаты в весьма широком диапазоне измеряемых величин.

Подборка статей про различные электроизмерительные приборы и их пракическое использование:

Под измерениями понимают способ количественного познания свойств физических объектов. Существуют различные физические объекты, обладающие разнообразными физическими свойствами, количество которых неограниченно. Человек в своем стремлении познать физические объекты — объекты познания — выделяет некоторое ограниченное количество свойств, общих в качественном отношении для ряда объектов, но индивидуальных для каждого из них в количественном отношении. Такие свойства получили название физических величин.

а) измерять можно свойства реально существующих объектов познания, т. е. физические величины;

б) измерение требует проведения опытов, т. е. теоретические рассуждения или расчеты не могут заменить эксперимент;

в) для проведения опытов требуются особые технические средства — средства измерений, приводимые во взаимодействие с материальным объектом;

г) результатом измерения является значение физической величины.

Принципиальная особенность измерения заключается в отражении размера физической величины числом. Число может быть выражено любым принятым способом, например комбинацией цифр, комбинацией уровней электрических напряжений и т. д.

Значение физической величины — количественная оценка измеряемой величины должна быть не просто числом, а числом именованным, т. е. результат измерения должен быть выражен в определенных единицах, принятых для данной величины. Только в этом случае результаты измерений, полученные различными средствами и разными экспериментаторами, сопоставимы.

Результат измерения практически всегда отличается от истинного значения физической величины — значения, которое выражает размер величины абсолютно точно. Истинное значение физической величины определить невозможно.

Отличие результата измерения от истинного значения объясняется несовершенством средств измерений, несовершенством способа применения средства измерений, влиянием условий выполнения измерения, участием человека с его ограниченными возможностями и т. д.

Отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины называют погрешностью измерения. Погрешность измерения где х — измеренное значение; — истинное значение.

Поскольку истинное значение неизвестно, практически погрешность измерения оценивают, исходя из свойств средства измерений, условий проведения эксперимента и анализа полученных результатов. Полученный результат отличается от истинного значения, поэтому результат измерения имеет ценность только в том случае, если дана оценка погрешности полученного значения измеряемой величины. Причем чаще всего определяют не конкретную погрешность результата, а степень недостоверности — границы зоны, в которой находится погрешность.

Высокая точность измерения, соответствует малой погрешности измерения.

Совокупность величин, связанных между собой зависимостями, образуют систему физических величин. Объективно существующие зависимости между физическими величинами представляют рядом независимых уравнений. Число уравнений всегда меньше числа величин Поэтому величин данной системы определяют через другие величины, а величин — независимо от других. Последние величины принято называть основными физическими величинами, а остальные — производными физическими величинами.

В качестве основных могут быть выбраны любые из данного числа величин, но практически выбирают величины, которые могут быть воспроизведены и измерены с наиболее высокой точностью. В области электротехники основными величинами приняты длина, масса, время и сила электрического тока.

Зависимость каждой производной величины от основных отображается ее размерностью. Размерность величины представляет собой произведение обозначений основных величин, возведенных в соответствующие степени, и является ее качественной характеристикой. Размерности величин определяют на основе соответствующих уравнений физики.

Физическая величина является размерной, если в ее размерность входит хотя бы одна из основных величин, возведенная в степень, не равную нулю. Большинство физических величин являются размерными. Однако имеются безразмерные (относительные) величины, представляющие собой отношение данной физической величины к одноименной, применяемой в качестве исходной (опорной). Безразмерными величинами являются, например, коэффициент трансформации, затухание и т. д.

Физические величины в зависимости от множества размеров, которые они могут иметь при изменении в ограниченном диапазоне, подразделяют на непрерывные (аналоговые) и квантованные (дискретные) по размеру (уровню).

Аналоговая величина может иметь в заданном диапазоне бесконечное множество размеров. Таким является подавляющее число физических величин (напряжение, сила тока, температура, длина и т. д.). Квантованная величина имеет в заданном диапазоне только счетное множество размеров. Примером такой величины может быть малый электрический заряд, размер которого определяется числом входящих в него зарядов электронов. Размеры квантованной величины могут соответствовать только определенным уровням — уровням квантования. Разность двух соседних уровней квантования называют ступенью квантования (квантом).

Значение аналоговой величины определяют путем измерения с неизбежной погрешностью. Квантованная величина может быть определена путем счета ее квантов, если они постоянны.

Физические величины могут быть постоянными или переменными во времени. При измерении постоянной во времени величины достаточно определить одно ее мгновенное значение. Переменные во времени величины могут иметь квазидетерминированный или случайный характер изменения.

Квазидетерминированная физическая величина — величина, для которой известен вид зависимости от времени, но неизвестен измеряемый параметр этой зависимости. Случайная физическая величина — величина, размер которой изменяется во времени случайным образом. Как частный случай переменных во времени величин можно выделить дискретные во времени величины, т. е. величины, размеры которых отличны от нуля только в определенные моменты времени.

Физические величины делят на активные и пассивные. Активные величины (например, механическая сила, ЭДС источника электрического тока) способны без вспомогательных источников энергии создавать сигналы измерительной информации (см. далее). Пассивные величины (например, масса, электрическое сопротивление, индуктивность) сами не могут создавать сигналы измерительной информации. Для этого их нужно активизировать с помощью вспомогательных источников энергии, например при измерении сопротивления резистора через него должен протекать ток. В зависимости от объектов исследования говорят об электрических, магнитных или неэлектрических величинах.

При изучении объекта исследования необходимо выделить для измерений физические величины, учитывая цель измерений, которая сводится к изучению или оценке каких-либо свойств объекта. Поскольку реальные объекты обладают бесконечным множеством свойств, то для получения результатов измерений, адекватных цели измерений, выделяют в качестве измеряемых величин определенные свойства объектов, существенные при выбранной цели, т. е. выбирают модель объекта.

В результате выбора модели устанавливают измеряемые величины, в качестве которых принимают параметры модели или их функционалы. За истинное значение измеряемой величины принимают такое значение параметра модели, которое можно было бы получить в результате мысленного эксперимента, свободного от каких-либо погрешностей.

Модели широко используют для описания реальных объектов исследования. Например, для силы переменного тока в качестве модели применяют синусоиду: где — амплитуда, угловая частота, фазовый сдвиг — параметры модели; — время. Каждый из параметров модели или функционал может быть измеряемой величиной, например измеряемой величиной может быть действующий ток — где

Одному и тому же исследуемому объекту может ставиться в соответствие та или иная модель, исходя из условий применения объекта и необходимой точности описания объекта. Например, резистор, используемый в цепях постоянного тока, характеризуют сопротивлением постоянному току. При использовании резистора в цепях с токами высокой частоты необходимо учитывать комплексный характер сопротивления резистора, т. е. резистор необходимо описывать более сложной моделью, учитывающей поверхностный эффект, собственные емкости и индуктивности. Если тот же резистор подвергается воздействию тока, сила которого меняется в большом диапазоне, то его следует рассматривать как нелинейный резистор, сопротивление которого зависит от силы тока.

Итак, для измерения необходимо, чтобы измеряемому свойству объекта соответствовал параметр модели объекта и погрешность из-за несоответствия модели объекту должна быть меньше допускаемой погрешности измерения.

сведения увеличивают наши знания и уменьшают степень неопределенности знаний об объекте, т. е. измерение — информационный процесс. Информацию о значениях измеряемых физических величин называют измерительной информацией.

Материальный носитель информации — сигнал. Сигналом в общем смысле является физический процесс, протекающий во времени. Сигнал, функционально связанный с измеряемой физической величиной, называют сигналом измерительной информации.

Сигнал измерительной информации имеет информативный параметр — параметр, функционально связанный с измеряемой величиной. Параметры сигнала, не связанные функционально с измеряемой величиной, называют неинформативными параметрами.

Поскольку физическая величина изменяется случайным образом, сигнал измерительной информации — случайный сигнал, информативный параметр которого изменяется случайным образом. В некоторых случаях носителем информации является квазидетерминированный сигнал, т. е. сигнал, у которого известна форма, но неизвестен информативный параметр.

Сигнал измерительной информации часто сопровождается помехой — сигналом, не несущим измерительной информации. Помеха может быть случайной и квазидетерминированной. При описании сигналов используют модели (см. § 4-4).

Измерение преследует цель получить результат измерения в виде именованного числа. Поэтому в процессе преобразований при измерении происходит образование числа, выраженного тем или иным способом. В общем случае при измерении имеют место несколько видов измерений. На первом этапе могут быть преобразования непрерывных сигналов — аналоговые преобразования. Затем осуществляется аналого-цифровое преобразование, при котором получается значение измеряемой величины в виде числа. Могут иметь место также преобразования над числом. В некоторых случаях, например на заключительном этапе, может быть цифро-аналоговое преобразование сигнала, т. е. получение сигнала, параметр которого пропорционален результату измерений (числу). Такой сигнал может быть использован, например, в аналоговом регистрирующем приборе.

В частных случаях то или иное преобразование может отсутствовать, но во всех случаях есть аналого-цифровое преобразование, являющееся специфическим видом преобразования при любых измерениях.

Принцип аналого-цифрового преобразования сводится к следующему. Пусть — упорядоченный равноинтервальный ряд величин возрастающих значений, в котором

Положим, что значение известно в единицах измеряемой величины х. Тогда значение любой величины из указанного ряда, например равно порядковому номеру умноженному на Алек, т. е.

Если в результате сравнения неизвестной величины х и известных величин из указанного ряда оказалось, что то можно принять Таким образом, имеется возможность характеризовать размер величины х именованным числом которое принимается за значение величины х.

В общем случае бесконечное множество размеров величины в диапазоне отражается ограниченным множеством Р числовых значений, т. е. при аналого-цифровом преобразовании происходит замена непрерывной измеряемой величины квантованной по уровню величиной При аналого-цифровом преобразовании практически всегда имеет место погрешность, так как бесконечное множество размеров х отражается ограниченным множеством Р значений.

Аналого-цифровое преобразование осуществляется либо

томатически (в цифровых приборах, аналого-цифровых преобразователях), либо с помощью человека-оператора (в аналоговых приборах). Оператор по отсчетному устройству аналогового прибора производит считывание результата измерения. Это выполняется следующим образом. Оператор путем сравнения перемещения указателя (например, стрелки) отсчетного устройства находит известное и равное ему перемещение, отсчитываемое по шкале прибора. Каждому значению перемещения по шкале соответствует установленное значение измеряемой величины, что дает оператору возможность определить значение измеряемой величины. Для увеличения точности отсчета оператор мысленно разбивает деления шкалы на более мелкие участки, по сути являющиеся квантами, т. е. производит квантование известной величины. Затем он определяет участок шкалы — квант, в пределах которого находится указатель, и в соответствии с этим квантом отсчитывает результат измерения в виде числа.

Таким образом, при считывании показания аналогового прибора оператором производится квантование, сравнение и кодирование.

Все измерения физических величин выполняют с помощью средств измерений. Для выполнения измерений с учетом различных требований и различных условий измерительная техника располагает большим перечнем различных средств измерений.

По функциональному назначению все средства измерений разделяют на следующие группы: меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные информационные системы и измерительные установки.

Свойства средств измерений оценивают характеристиками, среди которых выделяют комплекс метрологических характеристик, т. е. характеристик, которые необходимы при оценке точности результатов измерений. Важным отличительным признаком средств измерений является наличие у них нормированных метрологических характеристик, благодаря чему при надлежащем применении средств измерений может быть оценена точность получаемых результатов измерений.

Обобщенной метрологической характеристикой средства измерений является класс точности, определяемый пределами допускаемых погрешностей и другими свойствами средства измерений, влияющими на точность результатов измерений.

Наряду с измерениями информацию о свойствах объектов материального мира можно получить также с помощью счета, контроля, технического диагностирования и распознавания образов.

Счетом называют определение числа качественно однотипных объектов в данной их совокупности.

Контроль — процесс установления соответствия между состоянием объекта контроля и заданной нормой. При контроле нет необходимости знать численное значение контролируемой величины. Однако контроль содержит ряд операций, присущих измерениям (измерительные преобразования, сравнения). Поэтому вопросы точности для контроля имеют существенное значение. Контроль может выполняться как с участием человека, так и автоматически, с помощью контрольно-измерительных приборов и систем автоматического контроля.

Во многих случаях для восстановления нормальной работы объекта необходимо выявить элементы, послужившие причиной неправильного функционирования объекта. Появилась необходимость в техническом диагностировании, под которым понимают процедуру для обнаружения отказов отдельных элементов объектов, т. е. определения технического состояния объекта диагностирования. Техническое диагностирование осуществляют с помощью систем технического диагностирования.

Производством и применением средств измерений для получения измерительной информации, а также научными вопросами, возникающими при этом, занимается отрасль науки и техники, называемая измерительной техникой. Таким образом, измерительная техника рассматривается как область деятельности людей, включающая в себя научную деятельность, производство и эксплуатацию средств измерений. Часть научных основ измерительной техники составляет метрология как наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Одним из разделов измерительной техники является электроизмерительная техника — область научно-производственной деятельности людей, связанная с научными исследованиями, производством и эксплуатацией электрических средств измерений (электроизмерительных средств), т. е. средств, в которых измерительная информация передается в основном с помощью электрического сигнала.

Измерения физических величин с помощью электрических

средств измерений называют электрическими измерениями.

Следует отметить, что под измерительной (электроизмерительной) техникой часто понимают только совокупность средств измерений (электрических средств измерений) и способов их применения для получения измерительной информации.

В 16—18 вв. совершенствование И. т. шло вместе с бурным развитием физики, которая, основываясь в то время только на эксперименте, полностью опиралась на И. т. К этому периоду относятся усовершенствование часов (См. Часы), изобретение Микроскопа, Барометра, Термометра, первых электроизмерительных приборов и др. измерительных устройств, использовавшихся главным образом в научных исследованиях. Уже в конце 16 — начале 17 вв. повышение точности измерений способствовало революционным научным открытиям. Так например, точные астрономические измерения Т. Браге позволили И. Кеплеру установить, что планеты обращаются по эллиптическим орбитам. В создании измерительных приборов и разработке их теории принимали участие крупнейшие учёные — Г. Галилей, И. Ньютон, Х. Гюйгенс, — Г. Рихман и др. Каждое открываемое физическое явление воплощалось в соответствующем приборе, который, в свою очередь, помогал точно определить значение исследуемой величины и установить законы взаимодействия между различными величинами. Так, например, постепенно было выработано понятие температуры и создана температурная шкала.

В конце 18 и первой половине 19 вв. в связи с распространением паровых двигателей и развитием машиностроения резко повысились требования к точности обработки деталей машин, что обусловило быстрое развитие промышленной И. т. В это время совершенствуются приборы для определения размеров, появляются измерительные машины (См. Измерительная машина), вводятся Калибры и т. д. В 19 в. были созданы основы теории И. т. и метрологии (См. Метрология); получила распространение метрическая система мер, обеспечившая единство измерений в науке и производстве. Огромное значение для И. т. имели труды К. Гаусса, разработавшего метод наименьших квадратов, теорию случайных погрешностей, абсолютную систему единиц (CGSE) и заложившего вместе с В. Вебером основы магнитных измерений. Благодаря развитию теплоэнергетики, внедрению электрических средств связи, а затем и первых электроэнергетических установок в промышленности начали использоваться методы и средства измерения, которые до этого применялись лишь при научных исследованиях, — появились теплотехнические и электроизмерительные приборы. На рубеже 19 и 20 вв. в промышленно развитых странах стали создаваться метрологические учреждения. В России в 1893 была образована Главная палата мер и весов, которую возглавил Д. И. Менделеев.

Начало 20 в. знаменует новый этап в развитии И. т. — электрические, а позднее и электронные средства начинают применяться для измерения механических, тепловых, оптических величин, для химического анализа, геологической разведки и т. д., т. е. для измерений любых величин. Появляются такие новые отрасли, как радиоизмерения, спектрометрия и др. Возникает приборостроительная промышленность. Качественный скачок в развитии И. т. произошёл после 2-й мировой войны 1939—1945, когда И. т. выступила как отрасль кибернетики, занимающаяся получением и преобразованием информации (измерительной), наряду с такими отраслями, как Автоматика и Вычислительная техника.

Измерения — важнейший этап деятельности исследователей и экспериментаторов во всех отраслях науки и техники. Измерительная аппаратура — основное оборудование научно-исследовательских институтов и лабораторий, неотъемлемая часть оснастки любого технологического процесса, главный полезный груз метеорологических ракет, искусственных спутников Земли и космических станций.

Современная измерительная аппаратура предназначается не только для воздействия на органы чувств человека, как, например, в случае сигнализации или отсчёта результатов измерения наблюдателем, но всё чаще для автоматической регистрации и математической обработки результатов измерения и передачи их на расстояние или для автоматического управления какими-либо процессами. В приборах и системах на разных участках измерительных каналов используются механические, электрические, пневматические, гидравлические, оптические, акустические сигналы, амплитудная, частотная и фазовая модуляции; чрезвычайно широко применяются импульсные и цифровые устройства, следящие системы. Процесс измерения современными измерительными устройствами состоит в целенаправленном преобразовании измеряемой величины в форму, наиболее удобную для конкретного использования (восприятия) человеком или машиной. Например, смысл действия всех электроизмерительных приборов (амперметров, вольтметров, гальванометров и др.) заключается в том, что с их помощью измеряемая электрическая величина, изменения которой непосредственно органами чувств человека не могут быть оценены количественно, преобразуется в определённое механическое перемещение указателя (стрелки или светового луча). Таково же назначение и многих механических измерительных приборов и измерительных преобразователей (См. Измерительный преобразователь), с помощью которых разнообразные физические величины преобразуются в механическое перемещение (штангенциркуль, микрометр, пружинные весы, ртутный термометр, пружинный манометр или барометр, волосяной гигрометр и т. п.). Развитие И. т. в конце первой половины 20 в. показало, что наиболее удобно такое преобразование измеряемых величин, результат которого представляется не как механические перемещения, а в виде электрической величины (тока, напряжения, частоты, длительности импульсов и др.). Тогда для всех последующих операций (передача результатов измерения на расстояние, их регистрация, математическая обработка, использование в системах автоматического управления) может быть применена стандартная электрическая аппаратура. Основные преимущества использования электрических методов И. т. — простота регулирования чувствительности и малая инерционность электрических устройств, возможность одновременного измерения множества различных по своей природе величин, удобство комплектации из типовых блоков электрической аппаратуры управляющих машин и измерительно-информационных систем. С помощью электрических измерительных устройств можно измерить как медленно, так и очень быстро изменяющиеся во времени процессы, передавать результаты измерений на большие расстояния или преобразовывать их в сигналы для управления контролируемыми процессами, что имеет важнейшее практическое значение как для промышленности, так и для научных исследований.

Современная И. т. имеет ряд направлений в соответствии с областями применения приборов и типами измеряемых величин: линейные и угловые измерения; механические, оптические, акустические, теплофизические, физико-химические измерения; электрические и магнитные измерения; радиоизмерения: измерения частоты и времени; измерения излучений и т. д. В пределах каждой ветви И. т. существует множество частных методов измерения физических величин (которые к тому же оказываются неодинаковыми при измерении величин различных порядков; так, расстояния 10 -9 м, 10 -3 м, 10 3 м, 10 9 м измеряются совершенно разными методами). Поэтому отдельные ветви И. т. оказываются довольно слабо связанными между собой. И, кроме того, в пределах каждой ветви непрерывно возникают более мелкие подразделения по отдельным измеряемым величинам, например тензометрия (измерения механических напряжений на поверхности деталей), виброметрия (измерения вибросмещения, виброскорости, виброускорения, частоты и спектрального состава вибрации), кондуктометрия (измерение состава растворов по их электрической проводимости) и многие другие. Отдельно существуют отрасли И. т., отличающиеся особым подходом к процессу измерения или его целью; например, телеметрия (измерение на расстоянии) — в рамках этой отрасли имеется ещё радиотелеметрия, включающая в себя космическую радиотелеметрию; измерения характеристик случайных процессов — амплитудных распределений, корреляционных функций и спектров мощности; электрические измерения неэлектрических величин; цифровая И. т., включающая аналого-цифровое преобразование для ввода измерительной информации в вычислительную машину, и др. Наряду с тенденцией дробления И. т. на всё более частные направления существует и противоположная тенденция — объединение различных отраслей И. т. на базе общности исходных позиций, принципов построения и структурных схем аппаратуры, а в последнее время также и общности используемых средств измерения. В Советском Союзе воплощением этого единства стала Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации — ГСП, агрегатированная система средств электроизмерительной техники — АСЭТ.

Потребность в средствах И. т. настолько велика и разнообразна, что наряду с общим приборостроением существует авиационное, аналитическое, геофизическое, медицинское приборостроение и т. д. Изучение основ И. т. входит в учебные программы практически всех технических вузов СССР; ряд политехнических и энергетических вузов готовит специалистов по информационно-измерительной технике.

Тенденции развития И. т. к началу 70-х гг. определились довольно четко. Основными из них во всех областях И. т. являются: 1) резкое повышение качества приборов — снижение погрешностей до 0,01% и ниже, увеличение быстродействия до тысяч и даже миллионов измерений в 1 сек, повышение надёжности приборов и уменьшение их размеров; 2) расширение области применения измерительной аппаратуры в направлении измерения величин, прежде не поддававшихся измерению, а также в направлении ужесточения условий эксплуатации приборов; 3) повсеместный переход к цифровым методам не только в области измерений электрических величин, но и во всех других областях (уже имеются цифровые термометры, манометры, газоанализаторы, виброметры и т. д.), при этом аналоговые приборы по-прежнему применяются и продолжают совершенствоваться; 4) дальнейшее развитие системного подхода к унификации измерительной аппаратуры; 5) широкое внедрение во все средства И. т. методов логической и математической обработки измерительной информации.

В области метрологии следует особо выделить тенденцию перехода от эталонов, изготовленных человеком, к естественным эталонам, основанным на волновых и дискретных свойствах материи. Так, единица длины воспроизводится с помощью длины световой волны, а единица времени — с помощью периода колебаний естественного излучателя. Подобно этому, единица электрического заряда может быть установлена через заряд электрона, единица массы — через массу какой-либо из элементарных частиц и т. д. В приборостроении широкое промышленное применение находят методы измерений, которые прежде считались сугубо лабораторными и даже метрологическими, например автоматические интерферометры с цифровым отсчётом для измерений малых перемещений. Важнейшей тенденцией в приборостроении является миниатюризация и микроминиатюризация средств измерений с использованием новейших достижений науки, в частности физики твёрдого тела. Насущной задачей является формирование общих теоретических основ И. т. Трудность разработки заключается в том, что теория И. т. граничит со сложными вопросами гносеологии (см. Теория познания) и математики.

Лит.: Маликов М. Ф., Основы метрологии, ч. 1, М., 1949; Арутюнов В. О., Электрические измерительные приборы и измерения, М. — Л., 1958, Курс электрических измерений, под ред. В. Т. Прыткова и А. В. Талицкого, ч. 1—2, М. — Л., 1960; Островский Л. А., Основы общей теории электроизмерительных устройств, М. — Л., 1965; Туричин А. М., Электрические измерения электрических величин, основы информационной теории измерительных устройств, Л., 1968.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .

Измерение — совокупность операций по применению системы измерений для получения значения измеряемой физической величины.

Измерения могут быть классифицированы по метрологическому назначению на три категории:

Ненормированные – измерения при ненормированных метрологических характеристиках.

Технические – измерения при помощи рабочих средств измерений.

Метрологические – измерения при помощи эталонов и образцовых средств измерений.

Ненормированные измерения наиболее простые. В них не нормируются точность и достоверность результата. Поэтому область их применения ограничена. Они не могут быть применены в области, на которую распространяется требование единства измерений. Каждый из нас выполнял ненормированные измерения длины, массы, времени, температуры не задумываясь о точности и достоверности результата. Как правило, результаты ненормированных измерений применяются индивидуально, т.е. используются субъектом в собственных целях.

Технические измерения удовлетворяют требованиям единства измерений, т.е. результат бывает получен с известной погрешностью и вероятностью, записывается в установленных единицах физических величин, с определённым количеством значащих цифр. Выполняются при помощи средств измерений с назначенным классом точности, прошедших поверку или калибровку в метрологической службе. В зависимости от того, предназначены измерения для внутрипроизводственных целей или их результаты будут доступны для всеобщего применения, необходимо выполнение калибровки или поверки средств измерений. Средство измерений, прошедшее калибровку или поверку, называют рабочим средством измерений. Примером технических измерений является большинство производственных измерений, измерение квартирными счётчиками потреблённой электроэнергии, измерения при взвешивании в торговых центрах, финансовые измерения в банковских терминалах. Средство измерений, применяемое для калибровки других средств измерений, называют образцовым средством измерений. Образцовое средство измерений имеет повышенный класс точности и хранится отдельно, для технических измерений не применяется.

Метрологические измерения не просто удовлетворяют требованиям единства измерений, а являются одним из средств обеспечения единства измерений. Выполняются с целью воспроизведения единиц физических величин для передачи их размера образцовым и рабочим средствам измерений. Метрологические измерения выполняет метрологическая служба в стандартных условиях, сертифицированным персоналом.

Можно выделить следующие виды измерений.

1) По характеру зависимости измеряемой величины от времени методы измерений подразделяются на:

• статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени;
• динамические, в процессе которых измеряемая величина изменяется и является непостоянной во времени.

2) По способу получения результатов измерений (виду уравнений измерений) методы измерений разделяют на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

При прямом измерении искомое значение величины находят непо­средственно из опытных данных (например, измерение диаметра штан­генциркулем).

При косвенном измерении искомое значение величины определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям.

Совместными называют измерения двух или нескольких не одноимённых величин, производимые одновременно с целью нахождения функциональной зависимости между величинами (например, зависимости длины тела от температуры).

Совокупные – это такие измерения, в которых значения измеряемых величин находят по данным повторных измерений одной или нескольких одноименных величин (при различных сочетаниях мер или этих величин) путем решения системы уравнений.

3) По условиям, определяющим точность результата измерения, мето­ды делятся на три класса.

Измерении максимально возможной точности (например, эталонные измерения), достижимой при существующем уровне техники.

Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторое заданное значение.

Технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерения.

4) По способу выражения результатов измерений различают абсолютные и относительные измерения.

Абсолютное измерение основано на прямых измерениях величины и (или) использования значений физических констант.

При относительных измерениях величину сравнивают с одноименной, играющей роль единицы или принятой за исходную (например, измерение диаметра вращающейся детали по числу оборотов соприкасающегося с ней аттестованного ролика).

5) В зависимости от совокупности измеряемых параметров изделия различают поэлементный и комплексный методы измерения.

Поэлементный метод характеризуется измерением каждого параметра изделия в отдельности (например, эксцентриситета, овальности, огранки цилиндрического вала).

Комплексный метод характеризуется измерением суммарного пока­зателя качества (а не физической величины), на который оказывают влияние отдельные его составляющие (например, измерение радиального биения цилиндрической детали, на которое влияют эксцентриситет, овальность и др.).

2. Методы измерений

Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализо­ванным принципом измерений. Можно выделить следующие методы из­мерений.

По способу получения значения измеряемых величин различают два основных метода измерений.

Метод непосредственной оценки – метод измерения, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия.

Метод сравнения с мерой – метод измерения, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Разновидности метода сравнения:

• метод противопоставления, при котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения;
• дифференциальный метод, при котором измеряемую величину срав­нивают с известной величиной, воспроизводимой мерой;
• нулевой метод, при котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля (например, измерение электрического сопротивления по схеме моста с полным его уравнове­шиванием);
• метод совпадений, при котором разность между измеряемой величи­ной и величиной, воспроизводимой мерой, определяют, используя совпа­дения отметок шкал или периодических сигналов (например, считывание размера по основной и нониусной шкалам штангенциркуля).

При измерении линейных величин независимо от рассмотренных методов различают контактный и бесконтактный методы измерений.

В зависимости от измерительных средств, используемых в процессе измерения, различают:

• инструментальный метод;
• экспертный метод, который основан на использовании данных не­скольких специалистов (например, в квалиметрии, спорте, искусстве, медицине);
• эвристические методы, которые основаны на интуиции. Широко ис­пользуется способ попарного сопоставления, когда измеряемые величины сравниваются между собой попарно, а затем производится ранжирование на основании результатов этого сравнения;
• органолептические методы оценки, которые основаны на использо­вании органов чувств человека (осязания, обоняния, зрения, слуха, вкуса). Например, оценка шероховатости поверхности по образцу зрительно или на ощупь.

3. Понятие о точности измерений

Точность результата измерения – характеристика качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности его результата.

Эти погрешности являются следствием многих причин: несовершенства средств измерений, метода измерений, опыта оператора; недостаточной тщательности проведения измерения; воздействия внешних условий и т.д. Для оценки степени приближения результатов измерения к истинному значению измеряемой величины используются методы теории вероятности и математической статистики, что позволяет с определенной достоверностью оценить границы погрешностей, за пределы которых они не выходят. Это дает возможность для каждого конкретного случая выбрать средства и методы измерения, обеспечивающие измерение результата, погрешности которого не превышают заданных границ с требуемой степенью доверия к результатам измерений (достоверностью).

Класс точности – обобщённая метрологическая характеристика средства измерения.

Класс точности определяется и обозначается по-разному. Наибольшее распространение получили три варианта, каждый представляет собой выраженное в процентах значение относительной погрешности:

– относительно измеренного значения (относительная погрешность),

– относительно максимального значения шкалы (приведённая погрешность),

– относительно участка шкалы (приведённая к участку шкалы погрешность).

Рассмотрим эти три варианта.

Вариант 1. Относительная погрешность.

Чтобы по классу точности определить значение абсолютной погрешности, результат измерения умножают на класс точности и делят на сто, чтобы избавиться от процентов. Например, вольтметром класса точности 0,1 получено значение 10,000 В.

Абсолютная погрешность составит: (10,000 В ∙ 0,1 %) / 100 % = 0,010 В. Запись результата: (10,000 ± 0,010) В, с вероятностью 95 % (эта вероятность по умолчанию назначается для технических измерений, исходя из этой вероятности определяется и класс точности). При нормировании по относительной погрешности, значение класса точности заключают в кружок. Как правило, обозначение класса точности размещают в правом нижнем углу на шкале средства измерений.

Вариант 2. Приведённая погрешность.

Чтобы по классу точности определить значение абсолютной погрешности, максимальное значение шкалы умножают на класс точности и делят на сто, чтобы избавиться от процентов. Например, вольтметром класса точности 0,1 получено значение 10,000 В. Максимальное значение шкалы составляет 20,000 В.

Абсолютная погрешность составит: (20,000 В ∙ 0,1 %) / 100 % = 0,020 В. Запись результата: (10,000 ± 0,020) В, с вероятностью 95 %. При нормировании по приведённой погрешности, значение класса точности не сопровождают никакими знаками.

Вариант 3. Приведённая к участку шкалы погрешность.

Чтобы по классу точности определить значение абсолютной погрешности, размер участка шкалы умножают на класс точности и делят на сто, чтобы избавиться от процентов. Рассмотрим два примера, для случая, когда вся шкала поделена на два участка.

Пример 1. Участок шкалы от 0,000 В до 12,000 В, отмечен галочкой. Вольтметром класса точности 0,1 получено значение 10,000 В.

Абсолютная погрешность составит: (12,000 В ∙ 0,1 %) / 100 % = 0,012 В. Запись результата: (10,000 ± 0,012) В, с вероятностью 95 %.

Пример 2. Участок шкалы от 12,000 В до 20,000 В, также отмечен галочкой. Вольтметром класса точности 0,1 получено значение 15,000 В.

Абсолютная погрешность составит: (8,000 В ∙ 0,1 %) / 100 % = 0,008 В. Запись результата: (15,000 ± 0,008) В, с вероятностью 95 %. При нормировании по приведённой к участку шкалы погрешности, значение класса точности помещают над галочкой. Участки шкалы, относительно которых нормируется погрешность, обозначают галочками.

Варианты классов точности обусловлены отличием конструктивных, системных и схемотехнических решений средств измерений.

Корректная запись результатов

Запись результатов измерений производится по следующим правилам.

1) Погрешность указывается двумя значащими цифрами, если первая равна 1 или 2. Погрешность указывается одной значащей цифрой, если первая равна 3 или более. Все остальные цифры должны быть не значащими.

Значащей цифрой называется любая цифра числа, записанного в виде десятичной дроби, начиная слева с первой отличной от нуля цифры, независимо от того, где она находится – до запятой или после запятой.

2) Результат измерения округляется в соответствии с его погрешностью, т.е. записывается с той же точностью, что и погрешность.

Рассмотрим пример. Результат измерения: 10,645701, погрешность 0,012908.

1) Рассматриваем погрешность. Первая значащая цифра 1, поэтому оставляем две значащие цифры, округляя, записываем: 0,013.

2) Рассматриваем результат измерения. Погрешность записана с точностью до третьего знака после запятой, поэтому в результате также оставим три знака. Округляя, записываем: 10,646.

Корректная запись: 10,646 ± 0,013.

Корректная запись обеспечивает адекватность и сопоставимость результатов различных измерений и является одним из элементов единства измерений. Как правило, отбрасывание избыточных цифр не приводит к дополнительной погрешности, поскольку избыточные цифры обусловлены точностью вычислений, а не точностью измерений.

4. Основы обеспечения единства измерений

Специализация и кооперирование производства в масштабах страны, основанные на принципах взаимозаменяемости, требуют обеспечения и сохранения единства измерений.

Обеспечение единства измерений – деятельность метрологических служб, направленная на достижение и поддержание единства измерений в соответствии с правилами, требованиями и нормами, установленными государственными стандартами и другими нормативно-техническими документами в области метрологии.

Обеспечение единства измерений является задачей метрологических служб.

Метрологическая служба – совокупность субъектов, деятельности и видов работ, направленных на обеспечение единства измерений.

Закон определяет, что Государственная метрологическая служба находится в ведении Госстандарта России и включает: государственные научные метрологические центры; органы Государственной метрологической службы регионов страны, а также городов Москва и Санкт-Петербург.

Читайте также:

  
• Профилактика голосовой патологии в условиях детского сада
  
• Требования к актам исполнительной власти кратко
  
• Курская битва кратко роль жукова
  
• Каковы основные характеристики организационной структуры кратко
  
• Социальная гостиная в школе