Классификация измерений по видам измерений
Министерство образования РФ
Московский государственный университет леса
ЛЕКЦИЯ № 1
Дисциплина:
«МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ»
Тема:
«Измерения. Измерительные задачи.
Классификация измерений».
Вопросы:
Основные понятия и определения в области измерений. Сущность измерений.
Измерительные задачи.
Виды измерительных сигналов.
Классификация измерений по видам измерений.
Год
Основные понятия и определения в области измерений. Сущность измерений.
Современный этап научно-технического прогресса характеризуется интенсивным повышением интереса к измерениям. Возрастающий интерес к измерениям обуславливается тем, что они играют всё более значительную, а иногда определяющую роль в решении, как фундаментальных проблем познания, так и практических проблем научно-технического прогресса, социальных проблем, повышают эффективность всей общественно-полезной деятельности. Измерения являются основным процессом получения объективной информации о свойствах разнообразных материальных объектов, связанных с практической деятельностью человека. Например, о годности какой-либо детали по ее размерам мы можем судить только после измерений этих размеров.
Измерение– это процесс получения объективной информации, отражающей действительный, а не предполагаемый материальный, научно- технический потенциал общества, достигнутый уровень общественного производства и т.п. На информации, получаемой путём измерений, основываются решения органов управления экономическим развитием на всех уровнях.
|
|
|
Все предприятия, деятельность которых связана с разработкой, испытаниями, производством, контролем продукции, с эксплуатацией транспорта и средств связи, со здравоохранением и др., проводят неисчислимое количество измерений. На основе результатов измерений принимаются конкретные решения.
На схеме, представленной на рис. 1.1, показаны основные элементы, логически связанные между собой при измерениях.
Измерения основаны на сравнении одинаковых свойств материальных объектов. Для свойств, при количественном сравнении которых применяются физические методы, установлено единое обобщённое понятие – физическая величина.
Физическая величина– это свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам (физическим системам, их состояниям и происходящим в них процессам), но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта. Индивидуальность в количественном отношении следует понимать в том смысле, что свойство может быть для одного объекта в определённое число раз больше или меньше, чем для другого.
|
|
|
 |
Рис.1. Схема основных элементов, участвующих в измерениях.
К физическим величинам относятся: длина, масса, время, электрические величины (ток, напряжение и т.п.), давление, скорость движения и т.п.
Но запах не является физической величиной, так как он устанавливается с помощью субъективных ощущений.
Определение “физической величины” можно подкрепить примером. Возьмём два объекта: подшипник качения бытового пылесоса и подшипник качения вагонных колёс. Качественные свойства у них одинаковые, а количественные разные. Так диаметр наружного кольца подшипника качения вагонных колёс во много раз больше аналогичного диаметра подшипника пылесоса. Аналогично можно судить и о количественном соотношении массы и других свойств. Но для этого необходимо знать значение физической величины, т.е. оценить физическую величину в виде некоторого числа принятых для неё единиц. Например, значение массы подшипника качения вагонных колёс 8 кг, радиус земного шара 6378 км, диаметр отверстия 0,5 мм.
Истинное значение физической величины– это значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Оно является пределом, к которому приближается значение физической величины с повышением точности измерений.
|
|
|
Определить экспериментально истинное значение физической величины невозможно, оно остаётся неизвестным экспериментатору. В связи с этим при необходимости (например, при проверке средств измерений) вместо истинного значения физической величины используют её действительное значение.
Действительное значение физической величины– это значение физической величины, найденное экспериментальным путём и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.
При нахождении действительного значения физической величины поверка средств измерений должна осуществляться по образцовым мерам и приборам, погрешностями которых можно пренебречь.
При технических измерениях значение физической величины, найденное с допустимой погрешностью, принимается за действительное значение.
Основная физическая величина– это физическая величина, входящая в систему и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы. Например, в системе СИ основными физическими величинами, независимыми от других, являются длина l, масса m, время t и др.
|
|
|
Производная физическая величина– физическая величина, входящая в систему и определяемая через основные величины этой системы. Например, скорость v определяется в общем случае уравнением:
v=dl/dt, (1)
где l – расстояние; t – время.
Ещё пример. Механическая сила в этой же системе определяется уравнением:
F=m*a, (1)
где m – масса; a - ускорение, вызываемое действием силы F.
Мерой для количественного сравнения одинаковых свойств объектов служит единица физической величины– физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице. Единицам физических величин присваивается полное и сокращённое символьное обозначение – размерность. Например, масса – килограмм (кг), время – секунда (с), длина – метр (м), сила – Ньютон (Н).
Приведённые выше определения физической величины и её значения позволяют определить измерение как нахождение значения физической величины опытным путём с помощью специальных технических средств.
Это определение справедливо как для простейших случаев, когда, прикладывая линейку с делениями к детали, сравнивают её размер с единицей длины, хранимой линейкой, или когда с помощью прибора сравнивают размер величины, преобразованной в перемещение указателя, с единицей, хранимой шкалой этого прибора, так и для более сложных – при использовании измерительной системы (для измерения нескольких величин одновременно).
Для более полного раскрытия понятия “измерение” знания одной его сути недостаточно. Необходимо выявить ещё и те условия, соблюдение которых является обязательным при выполнении измерений. Эти условия можно сформулировать, исходя из метрологической практики, обобщив её требования, а также исходя из определения понятия “измеряемая физическая величина”:
измерения возможны при условии, если установлена качественная определённость свойства, позволяющая отличить его от других свойств (т.е. при выделении физической величины среди других);
определена единица для определения величины;
имеется возможность материализации (воспроизведения или хранения) единицы;
сохранение неизменным размера единицы (в пределах установленной точности) минимум в течение срока проведения измерений.
Если нарушается хотя бы одно из этих условий, измерения невыполнимы. Приведённые условия могут служить основой, во-первых, при рассмотрении содержания понятия “измерение”, во-вторых, при проведении чёткой границы между измерением и другими видами количественных оценок. От термина “измерение” происходит термин “измерять”, который широко используется на практике. Однако нередко применяются неверные термины: “мерить”, ”обмерять”, ”замерять”, ”промерять”, не вписывающиеся в систему метрологических терминов.
В технической литературе, посвящённой измерениям или средствам измерений, иногда можно прочесть об измерении процессов или зависимостей. Процесс, как объект измерить нельзя. Измеряют физические величины, их характеризующие. Например, нельзя сказать: “измерить деталь”. Следует уточнить, какие именно физические величины, свойственные детали, подлежат измерению (длина, диаметр, масса, твёрдость и др.). Это же относится и к процессам, включая быстродействующие, а также к зависимостям между физическими величинами.
Так, при нахождении зависимости уменьшения длины тела от изменения температуры измеряемыми величинами будут приращение температуры и удлинение тела, по значениям которых вычисляется указанная зависимость.
Эти вычисления можно осуществлять при помощи ЭВМ, сопряжённых со средством измерений, однако это не означает, что измеряется зависимость (она вычисляется). При использовании так называемых средств статистических измерений (в быстропротекающих процессах) допускаются такие, например, выражения, как: “измерение среднеквадратического значения напряжения случайного процесса”, “измерение плотности распределения вероятности” и др.
Следует отметить, что не все физические величины могут быть воспроизведены с заданными размерами и непосредственно сравнимы с себе подобными. К таким величинам относятся, например, температура, твёрдость материалов и т.п. В этом случае находит применение метод натуральных (реперных) шкал, заключающийся в следующем. Предметы и явления, обладающие некоторыми однородными свойствами, располагают в натуральный последовательный ряд так, что у каждого предмета в этом ряду данного свойства будет больше, чем у предыдущего и меньше, чем у последующего. Далее выбирают несколько членов ряда и принимают их за образцы. Выбранные образцы формируют шкалу (лестницу) реперных точек для сопоставления предметов или явлений по данному свойству. Примерами реперных шкал являются минералогическая шкала твёрдости, шкала силы ветра в “баллах Бофорта”.
Существенный недостаток таких шкал состоит в произвольном размере интервалов между реперными точками и невозможность уточнения размера физической величины внутри интервала.
В связи с этим в измерительной технике отдаётся предпочтение функциональным шкалам, при построении которых используется функциональная зависимость какой-либо физической величины, удобной для непосредственного измерения, от измеряемой физической величины. Чаще всего эта зависимость имеет линейный характер. В качестве примера можно привести температурную шкалу, например, Цельсия. При построении шкалы используются реперные точки, которым приписаны определённые значения температур, например, точка таяния льда (0,000о С), точка кипения воды (100,000о С) и т.п. В интервалах между температурами реперных точек осуществляется интерполяция с помощью тех или иных преобразователей температуры – ртутных термометров, термопар, платиновых термометров сопротивления. При этом измеряемая температура преобразуется в перемещение конца ртутного столбика, в ЭДС термопары или в сопротивление платинового резистора.
Измерительные задачи.
Основными задачами измерений являются:
- определение количественного значения физической величины;
- определение погрешности измерений.
Измерение – сложный информационный процесс. На всех этапах передачи информации возникает ее искажение, т.е. погрешности.
Погрешность средства измерения – отклонение показания средства измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины. Оно характеризует точность результатов измерений, проводимых данным средством.
Эти два понятия во многом близки друг к другу и классифицируются по одинаковым признакам.
Поскольку выяснить с абсолютной точностью истинное значение никакой величины невозможно, то невозможно и указать величину отклонения измеренного значения от истинного. (Это отклонение принято называть ошибкой измерения. В ряде источников, например в Большой советской энциклопедии, термины ошибка измерения и погрешность измерения используются как синонимы, но согласно РМГ 29-2013 термин ошибка измерения не рекомендуется применять как менее удачный). Возможно лишь оценить величину этого отклонения, например, при помощи статистических методов. На практике вместо истинного значения используют действительное значение величины хд, то есть значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него. Такое значение, обычно, вычисляется как среднестатистическое значение, полученное при статистической обработке результатов серии измерений. Это полученное значение не является точным, а лишь наиболее вероятным. Поэтому в измерениях необходимо указывать, какова их точность. Для этого вместе с полученным результатом указывается погрешность измерений. Например, запись T=2,8±0,1 c. означает, что истинное значение величины T лежит в интервале от 2,7 с. до 2,9 с. с некоторой оговорённой вероятностью.
По характеру проявления погрешности делятся на случайные, систематические и грубые (промахи).
Систематическая погрешность – составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины. Систематические погрешности могут быть предсказаны, обнаружены и, благодаря этому, почти полностью устранены введением соответствующей поправки или регулировкой средства измерения.
Случайная погрешность – составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) в серии повторных измерений одного и того же значения физической величины, проведённых с одинаковой тщательностью в одних и тех же условиях. В появлении таких погрешностей не наблюдается какой-либо закономерности, они обнаруживаются при повторных измерениях одной и той же величины в виде некоторого разброса получаемых результатов. Случайные погрешности неизбежны, неустранимы и всегда присутствуют в результате измерения. Описание случайных погрешностей возможно только на основе теории случайных процессов и математической статистики. В отличие от систематических, случайные погрешности нельзя исключить из результатов измерений путём введения поправки, однако их можно существенно уменьшить путём увеличения числа наблюдений и их статистической обработки. Поэтому для получения результата, минимально отличающегося от истинного значения измеряемой величины, проводят многократные измерения физической величины с последующей математической обработкой экспериментальных данных.
Грубая погрешность (промах) – это случайная погрешность результата отдельного наблюдения, входящего в ряд измерений, которая для данных условий резко отличается от остальных результатов этого ряда. Они, как правило, возникают из-за ошибок или неправильных действий оператора (его психофизиологического состояния, неверного отсчёта, считывания показаний с соседней шкалы прибора, ошибок в записях или вычислениях, неправильного включения приборов или сбоев в их работе и др.). Возможной причиной возникновения промахов также могут быть кратковременные резкие изменения условий проведения измерений. Если промахи обнаруживаются в процессе измерений, то результаты, их содержащие, отбрасывают. Однако чаще всего промахи выявляют только при окончательной обработке результатов измерений с помощью специальных статистических критериев.
В зависимости от причин возникновения различают инструментальные, методические и субъективные погрешности.
Инструментальная погрешность – погрешность, присущая самому средству измерений, т.е. тому прибору или преобразователю, при помощи которого выполняется измерение. Причинами инструментальной погрешности могут быть несовершенство конструкции средства измерений, влияние окружающей среды на его характеристики, деформация или износ деталей прибора и т.п.
Методическая погрешность появляется вследствие несовершенства метода измерения; несоответствия измеряемой величины и её модели, принятой при разработке средства измерения; влияния средства измерений на объект измерения и процессы, происходящие в нём. Отличительной особенностей методических погрешностей является то, что они не могут быть указаны в нормативно-технической документации на средство измерения, поскольку от него не зависят, а должны определяться оператором в каждом конкретном случае.
Субъективная (личная) погрешность измерения обусловлена погрешностью отсчёта оператором показания по шкалам средства измерений, диаграммам регистрирующих приборов. Они вызываются состоянием оператора, его положением во время работы, несовершенством органов чувств, эргономическими свойствами средства измерений. Характеристики субъективной погрешности определяют на основе нормированной номинальной цены деления шкалы измерительного прибора (или диаграммной бумаги регистрирующего прибора) с учётом способностей "среднего оператора" к интерполяции в пределах деления шкалы. Эти погрешности уменьшаются по мере совершенствования приборов, например: применение светового указателя в аналоговых приборах устраняет погрешность вследствие параллакса, применение цифрового отсчёта исключает субъективную погрешность.
Объективная погрешность измерения – погрешность, не зависящая от личных качеств человека, производящего измерение.
Виды измерительных сигналов.
Сигналом называется материальный носитель информации, представляющий собой некоторый физический процесс, один из параметров которого функционально связан с измеряемой физической величиной. Такой параметр называют информативным.
В качестве физических носителей сигналов используют импульсы механической, тепловой, электрической, магнитной, акустической и световой энергии и энергии ионизирующих излучений. Физические величины как носители сигналов в зависимости от числа принимаемых размеров подразделяются на непрерывные, имеющие бесконечно большое число размеров (рис. 2, а), и квантованные по уровню, содержащие конечное число размеров (рис. 2, б).
 |
Сигналы в зависимости от характера изменения во времени или пространстве делятся на непрерывные и дискретизированные (дискретные). Дискретные сигналы принимают отличные от нуля значения только в определенные моменты времени или в определенных точках пространства. На рис. 2, в приведены примеры дискретных сигналов, а на рис. 2, г – дискретных и квантованных.
Рис. 2. Виды сигналов.
Измерительный сигнал – сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой физической величине.
Измерительные сигналы чрезвычайно разнообразны. Их классификация по различным признакам приведена на рис. 3.
 |
Рис. 3. Классификация измерительных сигналов.
По характеру измерения информативного и временного параметров измерительные сигналы делятся на аналоговые, дискретные и цифровые.
Аналоговый сигнал –это сигнал, описываемый непрерывной или кусочно-непрерывной функцией Ya ( t), причем как сама эта функция, так и ее аргумент t могут принимать любые значения на заданных интервалах Y Î(Ymin ; Ymax ) и t Î(tmin ; tmax ) (рис. 4, а).
Дискретный сигнал –это сигнал, изменяющийся дискретно во времени или по уровню. В первом случае он может принимать в дискретные моменты времени nT, где T = const – интервал (период) дискретизации, n = 0; 1; 2;... – целое, любые значения YД (nT ) Î(Ymin ; Ymax ), называемые выборками или отсчетами. Такие сигналы (рис. 4, б) описываются решетчатыми функциями. Во втором случае значения сигнала YД (t ) существуют в любой момент времени t Î(tmin ; tmax ), однако они могут принимать ограниченный ряд значений hi = nq, кратных кванту q.
Цифровые сигналы –квантованные по уровню и дискретные по времени сигналы YЦ (nT ), которые описываются квантованными решетчатыми функциями (квантованными последовательностями), принимающими в дискретные моменты времени nT лишь конечный ряд дискретных значений – уровней квантования h1, h2,…, hn (рис. 4, в).
Рис. 4. Измерительные сигналы: а – аналоговый; б – дискретный; в – цифровой.
По характеру изменения во времени сигналы делятся на постоянные, значения которых с течением времени не изменяются, и переменные, значения которых меняются во времени. Постоянные сигналы являются наиболее простым видом измерительных сигналов.
Переменные сигналы могут быть непрерывными во времени и импульсными. Непрерывным называется сигнал, параметры которого изменяются непрерывно. Импульсный сигнал – это сигнал конечной энергии, существенно отличный от нуля в течение ограниченного интервала времени, соизмеримого с временем завершения переходного процесса в системе, для воздействия на которую этот сигнал предназначен.
По степени наличия априорной информации переменные из- мерительные сигналы делятся на детерминированные, квазидетерминированные и случайные.
Детерминированный сигнал – это сигнал, закон изменения которого известен, а модель не содержит неизвестных параметров. Мгновенные значения детерминированного сигнала известны в любой момент времени. Детерминированными (с известной степенью точности) являются сигналы на выходе мер. Например, выходной сигнал генератора низкочастотного синусоидального сигнала характеризуется значениями амплитуды и частоты, которые установлены на его органах управления. Погрешности установки этих параметров определяются метрологическими характеристиками генератора.
Квазидетерминированные сигналы – это сигналы с частично известным характером изменения во времени, т.е. с одним или несколькими неизвестными параметрами. Они наиболее интересны с точки зрения метрологии. Подавляющее большинство измерительных сигналов являются квазидетерминированными.
Детерминированные и квазидетерминированные сигналы делятся на элементарные, описываемые простейшими математическими формулами, и сложные. К элементарным относятся постоянный и гармонический сигналы, а также сигналы, описываемые единичной и дельта-функцией.
К сложным сигналам относятся импульсные и модулированные сигналы.
Сигналы могут быть периодическими и непериодическими. Непериодические сигналы делятся на почти периодические и переходные. Почти периодическим называется сигнал, значения которого приближенно повторяются при добавлении к временному аргументу надлежащим образом выбранного числа – почти периода. Периодический сигнал является частным случаем таких сигналов. Почти периодические функции получаются в результате сложения периодических функций с несоизмеримыми периодами. Переходные сигналы описывают переходные процессы в физических системах.
Периодическим называется сигнал, мгновенные значения которого повторяются через постоянный интервал времени. Период Т сигнала – параметр, равный наименьшему такому интервалу времени. Частота f периодического сигнала – величина, обратная периоду. Периодический сигнал характеризуется спектром. Различают три вида спектра:
- комплексный – комплексная функция дискретного аргумента, кратного целому числу значений частоты периодического сигнала Y (t ), представляющая собой значения коэффициентов комплексного ряда Фурье:
, (8)
где k – любое целое число;
амплитудный – функция дискретного аргумента, представляющая собой модуль комплексного спектра периодического сигнала:
, (9)
где Re(z), Im(z) – действительная и мнимая части комплексного числа z;
фазовый – функция дискретного аргумента, представляющая собой аргумент комплексного спектра периодического сигнала:
j(kw) = arg[ A(kw)] = arg tg Im[ A(kw)]. (10)
Re[ A(kw)]
Периодический сигнал содержит ряд гармоник.
Гармоника – гармонический сигнал с амплитудой и начальной фазой, равными соответствующим значениям амплитудного и фазового спектра периодического сигнала при некотором значении аргумента. Наличие высших гармоник в спектре периодического сигнала количественно описывается коэффициентом гармоник, характеризующим отличие формы данного периодического сигнала от гармонической (синусоидальной). Он равен отношению среднеквадратического значения сигнала суммы всех его гармоник, кроме первой, к среднеквадратическому значению первой гармоники:
, (11)
где Yi , Y1 – i-я и первая гармоники сигнала Y(t).
Периодические сигналы бывают гармоническими, т.е. содержащими только одну гармонику, и полигармоническими, спектр которых состоит из множества гармонических составляющих. К гармоническим сигналам относятся сигналы, описываемые функцией синуса или косинуса. Все остальные сигналы являются полигармоническими.
Случайный сигнал – это изменяющаяся во времени физическая величина, мгновенное значение которой является случайной величиной.
Классификация измерений по видам измерений.
При установлении классификации видов измерений в качестве классификационного признака принята физическая величина.
Классификация должна отвечать следующим требованиям:
включать применяемые в стране физические величины;
не допускать возможности включения одной и той же измеряемой физической величины в различные виды измерений;
однозначно определять принадлежность измеряемой физической величины к тому или иному виду измерений;
обеспечивать возможность обработки на ЭВМ измерительной информации о материальных объектах (документации, эталонах, средствах измерений, другой продукции и т.д.).
Классификация видов измерений должна быть следующей:
1. Измерения линейных и угловых величин.
2. Измерения времени и частоты.
3. Теплофизические и температурные измерения.
4. Измерения массы и силы.
5. Измерения плотности.
6. Измерения вязкости.
7. Измерения давления, вакуумные измерения.
8. Измерения перемещений.
9. Измерения уровня.
10. Измерения расхода и количества вещества.
11. Измерения содержания влаги.
12. Измерения химического состава и свойств вещества.
13. Измерения электрических и магнитных величин.
14. Радиотехнические и радиоэлектронные измерения.
15. Измерения параметров тепловых потоков.
16. Измерения оптических величин.
17. Измерения акустических величин.
18. Измерения радиационных величин.
При необходимости в нормативно-методических документах и справочно-информационных изданиях может быть приведена классификация групп (областей) по физическим величинам для каждого вида измерений.
При написании наименований физических величин и наименований и русских обозначений их единиц учтены требования и правила ГОСТ 8.417, РД 50-160 и РД 50-454.
По усмотрению разработчика документов и изданий классификация может быть дополнительно конкретизирована последовательно по следующим рубрикам:
диапазон измерений;
зависимость от влияющей величины (времени, частоты, температуры, напряжения и т.д.) или агрегатного состояния среды (твердое тело, жидкость, газ, плазма);
область применения (машиностроение, приборостроение, медицина, биология и т.п.).
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 648; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!