Лекция 3. 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 но шести направлениям.
1. По признаку точности – равноточные и неравноточные.
Равноточные измерения – определенное количество
измерений любой величины, произведенных аналогичными по точности средствами измерений в одинаковых условиях.
Неравноточные измерения – определенное количество измерений любой величины, произведенных отличными по точности средствами измерений и (или) в различных условиях.
Методы обработки равноточных и неравноточных измерений несколько отличаются. Поэтому перед тем как начать обработку ряда измерений, обязательно нужно проверить, равноточные измерения или нет. Это осуществляется с помощью статистической процедуры проверки по критерию согласия Фишера.
2. По числу измерений – однократные и многократные.
Однократное измерение – измерение, произведенное один раз.
Многократное измерение – измерение одного размера величины. Результат этого измерения получают из нескольких последующих однократных измерений (отсчетов).
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 термостатирование 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 – это 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 но 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 измерении – 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 т.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.