Вимірювальні сигнали - учебное пособие

Вимірювальні сигнали

Спочатку наведемо визначення сигналу взагалі.

Сигнал - це фізичний процес, властивості якого визначаються взаємодією між матеріальним обєктом та засобом його дослідження.

Сигнали характеризуються параметрами.

Параметр сигналу - одна з властивостей, яка є фізичною величиною.

Параметри сигналів розділяють на інформативні та неінформативні.

Інформативний параметр сигналу - параметр сигналу, який функціонально звязаний з досліджуваною (вимірюваною) величиною або ж має задане значення.

У протилежному випадку параметр сигналу є неінформативним.

Окремий вид сигналів складають вимірювальні сигнали, що виконують функцію взаємозвязку між обєктом вимірювання та засобом (засобами) вимірювальної техніки (рис. 1.2).

Вимірювальним сигналом називають сигнал, один чи декілька параметрів якого є інформативними.

Розрізняють вхідні вимірювальні сигнали та сигнали вимірювальної інформації.

Вхідний вимірювальний сигнал - це вимірювальний сигнал, який подається на вхід засобу вимірювальної техніки з виходу обєкта вимірювання чи джерела вимірювального сигналу або з виходу останнього на вхід обєкта вимірювання.

Вимірювальний сигнал, що утворюється на виході джерела вимірювального сигналу, називають зразковим сигналом. Під зразковим сигналом розуміють вимірювальний сигнал, один чи декілька параметрів якого мають задані значення.

Сигнал вимірювальної інформації - це вимірювальний сигнал, який представляє вимірювальну інформацію на виході засобу вимірювальної техніки.

Сигнали вимірювальної інформації розділяють на візуальні та кодові. Візуальним називають сигнал вимірювальної інформації, який сприймається оператором візуально. Кодовим називають сигнал вимірювальної інформації, який представляється заданим кодом і призначається для сприйняття технічними засобами.

1.3.4. Процедура вимірювання та вимірювальні операції

Вимірювання виконуються за процедурою, яка визначається методикою виконання вимірювань.

Процедура вимірювання - це послідовність вимірювальних операцій, що забезпечує вимірювання згідно з обраним методом.

Таким чином, процедура вимірювання складається з вимірювальних операцій.

Вимірювальна операція - це операція з фізичними величинами або їх значеннями під час вимірювання.

До вимірювальних операцій належать: відтворення фізичної величини, порівняння фізичних величин і вимірювальне перетворення.

Відтворення фізичної величини - вимірювальна операція, що полягає у створенні та (чи) зберіганні фізичної величини заданого значення.

Порівняння фізичних величин - вимірювальна операція, що полягає у порівнянні двох розмірів (значень) однорідних фізичних величин.

Вимірювальне перетворення фізичних величин - вимірювальна операція, під час якої одна фізична величина перетворюється в іншу, функціонально з нею звязану.

Фізичний ефект, на якому ґрунтується вимірювальне перетворення, називають принципом вимірювального перетворення.

Вимірювальні перетворення поділяють на перетворення без зміни роду та зі зміною роду вихідної фізичної величини, а також на лінійні та нелінійні за видом функціональної залежності (лінійна чи нелінійна) між початковою величиною й тією величиною, що одержують після перетворення. Одним з поширених видів лінійного перетворення фізичної величини є масштабне вимірювальне перетворення, під яким розуміють лінійне вимірювальне перетворення фізичної величини без зміни її роду.

1.4. Засоби вимірювальної техніки

1.4.1. Визначення і різновиди засобів вимірювальної техніки

Засоби вимірювальної техніки є обовязковим елементом будь-якого процесу вимірювання. Більш того, вони значною мірою визначають його якість, оскільки саме ЗВТ забезпечують зберігання одиниць вимірювань і їх порівняння з розміром вимірюваної величини, тобто виконання основних вимірювальних операцій. Проте в ряді практичних випадків для здійснення вимірювального експерименту, крім ЗВТ, необхідні й інші технічні засоби, які забезпечують, зокрема, підтримання умов виконання вимірювань, збирання, зберігання і передавання вимірювальної інформації, виконання обчислень тощо.

На теперішній час вимірювальна техніка - це величезний парк різноманітних ЗВТ з різними технічними і метрологічними характеристиками. Особливо важливими для процесу вимірювання є метрологічні характеристики, тому що вони впливають на результат і похибку вимірювання. Всі метрологічні характеристики ЗВТ підлягають нормуванню, під яким розуміють задання номінальних значень і границь допустимих відхилень реальних метрологічних характеристик ЗВТ від номінальних значень (див. § 3.1). Засоби вимірювальної техніки можна використовувати для виконання вимірювань тільки за умови, коли відомі їхні метрологічні характеристики. Ця вимога настільки важлива, що вона введена у визначення засобу вимірювальної техніки.

Засіб вимірювальної техніки - це технічний засіб (або стандартний зразок), який застосовується під час вимірювань і має нормовані (задані) метрологічні характеристики.

Засоби вимірювальної техніки розподіляють на типи.

Тип засобу вимірювальної техніки - сукупність засобів вимірювальної техніки однакового призначення, які мають однаковий принцип дії, однакову конструкцію та виготовлені за однією технологічною документацією.

Вимоги до ЗВТ, як правило, регламентуються нормативною документацією. Такі ЗВТ називають стандартизованими. Засоби вимірювальної техніки, вимоги до яких не регламентуються відповідно до нормативної документації, називають нестандартизованими.

Залежно від області (масштабу) застосування відрізняють ЗВТ загального застосування і спеціальні (сервісні) ЗВТ. До ЗВТ загального застосування належать ЗВТ, які розробляються і випускаються для загальнодержавного і відомчого застосування. Спеціальні (сервісні) ЗВТ мають вузькоцільове призначення, розробляються і використовуються в системі технічного обслуговування конкретного обєкта або групи обєктів вимірювання. Вони можуть бути вбудованими (вмонтованими) і зовнішніми. До ЗВТ, умонтованих в обєкти вимірювання, ставляться ті самі вимоги щодо захищеності від зовнішніх впливів, які установлені для даного обєкта з урахуванням застосованих у них засобів захисту.

Усі ЗВТ можна розподілити на дві основні групи за такими ознаками: функціональне призначення та метрологічне забезпечення.

1.4.2. Різновиди засобів вимірювальної техніки за функціональним призначенням

За функціональним призначенням розрізняють три різновиди ЗВТ: засоби вимірювань, вимірювальні пристрої і еталони (рис.1.3).

Засіб вимірювань - засіб вимірювальної техніки, який реалізує процедуру вимірювань.

Вимірювальний пристрій - засіб вимірювальної техніки, в якому виконується лише одна із складових частин процедури вимірювань (вимірювальна операція).

Рис. 1.3. Класифікація засобів вимірювальної техніки

Визначення еталона і його різновиди наведені в підп. 1.4.3.

Засоби вимірювань поділяють на вимірювальні прилади, кодові засоби вимірювань, реєструвальні засоби вимірювань, вимірювальні канали, вимірювальні системи і вимірювальні інформаційні системи.

Вимірювальний прилад - засіб вимірювань, в якому створюється візуальний сигнал вимірювальної інформації.

Класифікація вимірювальних приладів наведена в підп. 1.4.4.

Кодовий засіб вимірювань (аналого-цифровий перетворювач) - засіб вимірювань, в якому створюється кодовий сигнал вимірювальної інформації.

На наш погляд (на відміну від ДСТУ 2681-94), поняття кодового засобу вимірювання і аналого-цифрового перетворювача (АЦП) не є ідентичними. Перше з них значно ширше, ніж друге, оскільки поняття коду (і кодового сигналу) значно ширше за поняття цифрового коду. Тому АЦП слід віднести до вимірювальних пристроїв. Крім того, в такому розумінні кодові засоби вимірювань охоплюють цифрові вимірювальні прилади, і останні треба розглядати як різновид кодових засобів вимірювань.

Реєструвальний засіб вимірювань - засіб вимірювань, в якому реєструється сигнал вимірювальної інформації.

Реєструвальні ЗВ забезпечують можливість автоматичного документування результатів вимірювань шляхом їх запису в аналоговій формі (самописні ЗВ, наприклад сейсмографи, барографи, світлопроменеві осцилографи) або друкування в цифровій формі (наприклад, цифрові вимірювальні прилади, сполучені з цифродрукувальним пристроєм). При цьому може відображатися залежність вимірюваної величини у функції часу (наприклад, перехідний процес в електричному колі) або у функції іншої величини (частотні характеристики динамічних обєктів та ін.).

Вимірювальний канал - сукупність засобів вимірювальної техніки, засобів передавання і зберігання інформації та інших технічних засобів, функціонально обєднаних для створення сигналу вимірювальної інформації про одну вимірювану фізичну величину.

Вимірювальна система - сукупність вимірювальних каналів, окремих засобів вимірювальної техніки, засобів збирання, передавання і зберігання інформації та інших технічних засобів, функціонально обєднаних для створення сигналів вимірювальної інформації про декілька вимірюваних фізичних величин.

Вимірювальна інформаційна система - сукупність вимірювальних каналів, окремих засобів вимірювальної техніки, контролю і діагностики, засобів збирання, передавання, зберігання і обробки інформації, інших технічних засобів, функціонально обєднаних для створення сигналів вимірювальної та інших видів інформації.

Відзначимо, що в науково-технічній літературі використовуються різноманітні терміни, подібні до вимірювальної системи або до вимірювальної інформаційної системи, наприклад: вимірювальна установка, вимірювально-обчислювальна система, вимірювально-обчислювальний комплекс, вимірювальна контролююча система, вимірювальна керуюча система. Усі вони, по суті, є різновидом вимірювальних систем та вимірювальних інформаційних систем і забезпечують автоматизацію процесів вимірювання, обробки і відображення результатів вимірювання, контролю і діагностики, а іноді введення вимірювальної інформації в автоматизовані системи управління.

Вимірювальні пристрої за функціональним призначенням поділяють на міри, компаратори, вимірювальні перетворювачі і обчислювальні компоненти.

Міра фізичної величини - вимірювальний пристрій, що реалізує відтворення та (або) зберігання фізичної величини одного або декількох заданих значень.

Розрізняють однозначні і багатозначні міри, набори і магазини мір.

Однозначною називається міра, яка відтворює фізичну величину одного значення (наприклад, нормальний елемент, зразкова котушка опору). Багатозначна міра забезпечує відтворення фізичної величини декількох значень (наприклад, штрихова міра довжини, конденсатор змінної ємності).

У ряді випадків для розширення можливостей відтворення фізичної величини різних значень використовують набори однозначних мір, різні комбінації яких дозволяють одержати потрібне значення фізичної величини. Прикладом набору мір є набори плоско паралельних кінцевих мір довжини. Якщо набір мір конструктивно обєднаний в єдиний блок, то він називається магазином мір (наприклад, магазин електричних опорів, магазин індуктивностей, магазин ємностей).

Окремим видом мір є стандартні зразки.

Стандартний зразок - міра у вигляді речовини або матеріалу зі встановленими в результаті метрологічної атестації значеннями однієї або декількох фізичних величин, що характеризують властивості або склад цієї речовини чи матеріалу.

Розрізняють стандартні зразки властивостей і стандартні зразки складу.

Компаратор - вимірювальний пристрій, що реалізує операцію порівняння однорідних фізичних величин.

Компаратори можуть виконуватися у вигляді технічних засобів або спеціально створених середовищ. Вони широко використовуються не тільки у вимірювальних приладах, але й для звіряння еталонів і мір однорідних фізичних величин або ж показів вимірювальних приладів, наприклад: компаратор електрорушійної сили; частотний компаратор; температурне поле, що створюється термостатом для звіряння показів термометрів; рідина з відомою густиною, яка використовується для звіряння ареометрів і т.д. Компаратори, строго кажучи, не є класичними ЗВТ, тому вони не мають загальноприйнятих метрологічних характеристик. Їх основною характеристикою є чутливість або поріг чутливості. Одночасно вони істотно впливають на точність виконуваних за їх участю вимірювань, оскільки результати порівняння часто становлять основу для прийняття рішення про метрологічну справність ЗВТ при повірках. Компаратори конструктивно можуть виконуватися у вигляді автономних приладів. У цьому випадку їм надають букво-цифрове позначення, наприклад, компаратор частоти типу Ч7-12.

Вимірювальний перетворювач вимірювальний пристрій, що реалізує операцію вимірювального перетворення.

Поняття вимірювального перетворення використовується в усіх без винятку галузях вимірювальної техніки, ставши одним з основних початкових положень. Вимірювальні перетворення складають етапи вимірювального процесу _ від сприйняття фізичної величини до формування і подання її числового значення в тій чи іншій формі. З цієї точки зору можна виділити такі основні операції одержання і передавання вимірювальної інформації:

а) первинне сприйняття і виділення вимірюваної фізичної величини з одночасним формуванням сигналу вимірювальної інформації;

б) функціональне перетворення сигналу вимірювальної інформації;

в) подання вимірювальної інформації у тій чи іншій формі сповіщення (число, кодовий сигнал, діаграма і т.д.).

Послідовне перетворення вимірювальних сигналів є практично єдиним методом, на основі якого може бути побудований будь-який вимірювальний канал (приладу, установки або системи). Тому вимірювальний канал можна подати як ланцюг вимірювальних перетворювачів. Такий підхід в основному і використовується як при аналізі, так і при синтезі вимірювальних каналів ЗВТ.

Вимірювальні перетворювачі знаходять самостійне застосування, а також як основні компоненти входять до складу інших ЗВТ. Вони поділяються на різновиди за двома ознаками: за місцем у вимірювальному ланцюзі та за видом здійснюваного перетворення. За першою ознакою розрізняють первинні й вторинні (проміжні) вимірювальні перетворювачі.

Первинний вимірювальний перетворювач (сенсор) вимірювальний перетворювач, який першим взаємодіє з обєктом вимірювання.

Первинні вимірювальні перетворювачі, конструктивно відособлені від ЗВТ і установлені на обєктах вимірювання, що розміщуються на відстані від пристрою обробки, відображення і реєстрування вимірювальної інформації, називають датчиками (наприклад, датчик температури, датчик вібрації, датчик іонізуючого випромінювання тощо).

Вимірювальні перетворювачі, що здійснюють проміжні перетворення вимірювальної інформації, тобто розташовані у вимірювальному каналі після первинного перетворювача, називають вторинними вимірювальними перетворювачами.

Вимірювальні перетворювачі, які виконують лінійне змінювання (зменшення або збільшення) значення фізичної величини у визначену кількість разів, називають масштабними вимірювальними перетворювачами. До них належать подільники напруги, додаткові резистори та шунти, підсилювачі та атенюатори, вимірювальні трансформатори струму і напруги.

За видом перетворення сигналів вимірювальної інформації вимірювальні перетворювачі розділяють на аналогові, аналого-цифрові і цифроаналогові перетворювачі (АЦП і ЦАП відповідно).

Аналогові вимірювальні перетворювачі перетворюють аналоговий сигнал в інший аналоговий сигнал, однорідний або різнорідний з початковим (вхідним) сигналом (наприклад, амплітудний детектор перетворює амплітуду змінної напруги в пропорційну постійну напругу, термоелектричний перетворювач температуру в електричну напругу). АЦП здійснює перетворення аналогового сигналу в цифровий код, наприклад двійковий. ЦАП служить для зворотної операції перетворення цифрового коду в безперервну напругу або струм.

Якщо вимірювальний перетворювач виконується у вигляді автономного блока (модуля), то йому присвоюється відповідно букво-цифрове позначення, наприклад, підсилювач У3-28, АЦП Ф-7070 і т.д.

Обчислювальний компонент ЗВТ (числовий вимірювальний перетворювач) вимірювальний пристрій, що є сукупністю засобу (засобів) обчислювальної техніки та програмного забезпечення і виконує обчислювальні операції процедури вимірювань.

Обчислювальний компонент можна розглядати як різновид вимірювальних перетворювачів за видом здійснюваного перетворення, що є доцільним при оцінці похибок вимірювальних каналів.

Інколи не обовязково знати числове значення вимірюваної величини, яке характеризує ту чи іншу властивість обєкта або явища, а досить виявити якимось чином цю властивість. Для даної мети використовують індикатори.

Індикатор технічний пристрій або речовина, який за наявності певної властивості обєкта чи явища створює відповідний сигнал інформації.

Індикатори не належать до ЗВТ, але окремі види ЗВТ можуть використовуватися як індикатори. Наприклад, магнітний компас індикатор напруженості магнітного поля, освітлювальна електрична лампа індикатор електричної напруги, лакмусовий папір індикатор активності іонів водню в розчинах. Таким чином, за допомогою індикаторів установлюється тільки наявність вимірюваної фізичної величини, тобто тієї чи іншої властивості обєкта або явища. У цьому відношенні індикатори відіграють ту саму роль, що й органи чуттів людини, але значно розширюють їх можливості. Оскільки індикатори мусять лише реагувати на виявлення певних властивостей навколишнього світу, то найважливішою їхньою технічною характеристикою є поріг реагування (або поріг чутливості). Чим він менший, тим слабкіше проявлення контрольованої властивості реєструється індикатором. Деякі сучасні індикатори володіють дуже малими порогами чутливості, які знаходяться на рівні фонових полів і власних шумів апаратури.

Для технічної реалізації процесу вимірювання звичайно потрібні не тільки ЗВТ, а й інші технічні засоби, їх іноді називають допоміжними. Серед них виділяють вимірювальне приладдя, яке безпосередньої участі в одержанні числового значення результату вимірювання не бере, але опосередковано впливає на похибки вимірювання. До приладдя, наприклад, належать пристрої для контролю і підтримки певних умов вимірювання (температури, тиску, газового складу), противібраційні фундаменти, пристрої екранування від електромагнітних полів тощо.

1.4.3. Різновиди засобів вимірювальної техніки за метрологічним призначенням

За метрологічним призначенням ЗВТ розділяють на робочі ЗВТ, зразкові ЗВТ та еталони.

Робочий засіб вимірювальної техніки засіб вимірювальної техніки, що застосовується для вимірювань, не звязаних з передаванням розміру одиниці вимірювань іншим засобам вимірювальної техніки.

Залежно від області застосування (класу вирішуваних задач вимірювання) робочі ЗВТ можуть бути лабораторними, виробничими і польовими. Лабораторні ЗВТ використовуються при наукових дослідженнях, розробці технічних засобів, медичних вимірюваннях тощо. Звичайно вони мають найбільш високі метрологічні характеристики серед робочих ЗВТ. Виробничі ЗВТ застосовуються для вимірювання і контролю параметрів технологічних процесів та технічного стану виробничого обладнання, для контролю показників якості готової продукції тощо. Польові ЗВТ використовуються для експлуатаційних вимірювань і контролю параметрів таких технічних обєктів, як літаки, автомобілі, кораблі та ін. До польових, звичайно, належать і вмонтовані робочі ЗВТ, які зазнають зовнішніх впливів, що змінюються в широких межах. До виробничих і польових ЗВТ ставляться в порівнянні з лабораторними ЗВТ більш високі вимоги щодо їх експлуатаційних характеристик (стійкість до ударно-вібраційних навантажень, впливів температури, вологості, радіаційного випромінювання, електромагнітних полів тощо).

Зразковий засіб вимірювальної техніки засіб вимірювальної техніки, призначений для повірки інших засобів вимірювальної техніки і затверджений як зразковий.

Зразковий засіб вимірювальної техніки, що має метрологічні характеристики, які відповідають найвищому ступеню даної повірочної схеми, називають вихідним зразковим засобом вимірювальної техніки.

Зразкові засоби вимірювальної техніки, в тому числі вихідні, можуть виконуватися у вигляді повірочних установок (та систем), автоматизованих і автоматичних. На відміну від вимірювальних систем (і установок) вони комплектуються зразковими засобами вимірювальної техніки і призначаються для повірки інших засобів вимірювальної техніки.

Засобами вимірювальної техніки найвищої точності є еталони одиниць вимірювань (одиниць фізичних величин).

Еталон одиниці (надалі еталон) засіб вимірювальної техніки, що забезпечує відтворення та (або) зберігання одиниці вимірювань одного чи декількох значень, а також передавання розміру цієї одиниці засобам вимірювальної техніки.

Відтворення одиниці вимірювань (одиниці фізичної величини) відтворення одиниці шляхом створення фіксованої за розміром фізичної величини відповідно до визначення одиниці вимірювань.

Передавання розміру одиниці вимірювань (одиниці фізичної величин) зведення (доставка) розміру одиниці вимірювань (одиниці фізичної величини), яка відтворюється або зберігається засобом вимірювальної техніки, що повіряється, до розміру тієї самої одиниці, яка відтворюється або зберігається еталоном чи зразковим засобом вимірювальної техніки, при їх звіренні (повірці).

За призначенням і метрологічними характеристиками еталони розділяють на державні, робочі та вихідні.

Державний еталон офіційно затверджений еталон, який забезпечує відтворення одиниці вимірювань та передавання її розміру іншим еталонам з найвищою в країні точністю.

Державні еталони є виключно державною власністю, підлягають затвердженню Держстандартом України і перебувають у його віданні.

Державні (національні) еталони за міжнародною угодою можуть використовуватися як міжнародні еталони, що призначаються для погодження (звірення) розмірів одиниць вимірювань, відтворюваних державними (національними) еталонами різних країн.

Робочий еталон еталон, призначений для повірки або калібрування засобів вимірювальної техніки.

Вихідний еталон еталон, який має найвищі метрологічні властивості серед еталонів, що є на підприємстві чи в організації.

Еталони можуть бути одиничними і груповими. До складу групового еталона входить декілька (група) одиничних еталонів або (та) зразкових засобів вимірювальної техніки тієї самої фізичної величини.

Еталонна база створюється та вдосконалюється згідно з державними науково-технічними програмами, які розробляються Держстандартом України з метою забезпечення потреб науки, економіки і оборони. За виконання завдань цих програм, технічний рівень державних еталонів та оптимальність структур еталонної бази відповідає Держстандарт України.

1.4.4. Класифікація вимірювальних приладів

Вимірювальні прилади є найбільш розповсюдженим видом ЗВ. У систему їх класифікації покладені такі основні ознаки: рід вимірюваної фізичної величини, призначення, елементна база, спосіб одержання значення вимірюваної величини, спосіб обробки вимірювальної інформації, захищеність від впливу зовнішніх умов.

Залежно від вимірюваних фізичних величин вимірювальні прилади, як і вимірювання (див. § 1.5), розділяють на види. Кожний вид вимірювальних приладів обєднує прилади, призначені для вимірювання величин, які близькі за фізичною природою або належать до певної галузі науки і техніки. Наприклад: вимірювальні прилади для вимірювання електричних величин (електровимірювальні прилади), вимірювальні прилади для вимірювання радіотехнічних величин (радіовимірювальні прилади), вимірювальні прилади для вимірювання температури, тиску і т.д.

У межах виду вимірювальні прилади розділяють на типи, як і ЗВТ в цілому. Вимірювальні прилади даного типу можуть мати модифікації, які відрізняються, наприклад, діапазоном вимірювань. Вид вимірювального приладу може включати декілька типів.

За призначенням вимірювальні прилади розділяють на амперметри, вольтметри, частотоміри, фазометри, ватметри та ін.

За елементною базою, яка використана для їх побудови, вимірювальні прилади розділяють на електромеханічні та електронні.

Електромеханічні вимірювальні прилади ґрунтуються на перетворенні енергії електромагнітного поля в механічну енергію переміщення рухомої частини приладу за допомогою електромеханічних перетворювачів. Для розширення можливостей вимірювання різних фізичних величин в електромеханічних приладах застосовують попередні перетворювачі, наприклад випрямлячі, термоперетворювачі. Вони утворюють групу електромеханічних вимірювальних приладів з перетворювачами.

До електронних належать вимірювальні прилади, в яких перетворення сигналів у вимірювальних каналах здійснюється за допомогою електронних вузлів, виконаних на електронних і напівпровідникових приладах, а також на інтегральних мікросхемах різного ступеня інтеграції, у тому числі на мікропроцесорах.

Усі радіовимірювальні прилади є, як правило, електронними або радіоелектронними і рідше електромеханічними з попередніми перетворювачами (див. § 6.1).

За методом вимірювання (або за участю міри у вимірюваннях) розрізняють вимірювальні прилади прямої дії і вимірювальні прилади порівняння.

Вимірювальні прилади прямої дії (або безпосередньої оцінки) ґрунтуються на одному або декількох послідовних перетвореннях вимірювального сигналу в одному напрямку, тобто без застосування негативного зворотного звязку з виходу на вхід приладу. Такі прилади обовязково потребують градуювання шкали показувального пристрою, під яким розуміють нанесення на шкалу позначок, що відповідають одному або декільком значенням вимірюваної фізичної величини. При цьому міра, яка відтворює одиницю вимірювань, необхідну для здійснення вимірювання, бере участь тільки в процесі градуювання показувального пристрою, який потім і забезпечує зберігання одиниці в процесі вимірювань.

У вимірювальних приладах порівняння (або зрівноважування) результат вимірювання одержують порівнянням розміру вимірюваної величини з розміром величини, що відтворюється мірою (вмонтованою або зовнішньою). Достоїнством вимірювальних приладів порівняння є те, що їх похибка визначається в основному похибкою застосованої міри, а отже, удосконалення мір приводить до підвищення точності приладу в цілому.

Прилади порівняння виконуються за мостовою або компенсаційною схемами, які в процесі вимірювань піддаються автоматичному або ручному зрівноважуванню. В приладах порівняння з автоматичним зрівноважуванням обовязково є негативний зворотний звязок з виходу на вхід приладу, а в приладах порівняння з ручним зрівноважуванням цю функцію виконує оператор.

Компенсаційні прилади порівняння в момент вимірювання, якому відповідає рівність значень вимірюваної і зрівноважувальної величин, потужність від обєкта вимірювання не споживають, що є їх важливим достоїнством.

За формою відліку показів вимірювальні прилади розподіляють на аналогові і цифрові.

Аналогові вимірювальні прилади це вимірювальні прилади, показання яких є безперервною функцією часу, а точніше функцією змінювання вимірюваної величини в часі. В їхньому вимірювальному каналі може здійснюватися перехід від безперервного сигналу до дискретного і навпаки. Візуальний сигнал вимірювальної інформації в них подається за допомогою шкали та вказівника.

Цифрові вимірювальні прилади це вимірювальні прилади, що автоматично виробляють дискретні сигнали вимірювальної інформації і покази яких подані у цифровій формі. Ці покази є дискретною функцією часу і змінювання вимірюваної величини за рівнем.

Для зменшення впливу зовнішніх факторів у вимірювальних приладах передбачається захист від кліматичних і механічних дій. За ступенем захищеності ці прилади виготовляють звичайними, пило-, водо-, бризкозахищеними, герметичними, віброударостійкими і т.д.

1.5. Різновиди вимірювань

Теперішнього часу в силу великої різноманітності вимірюваних фізичних величин і вимог до якості вимірювань для їх здійснення використовують різні методи. Правильне і глибоке розуміння суті методів вимірювань дозволяє організувати процес вимірювання так, щоб якнайкраще забезпечити виконання дуже суперечливих вимог щодо точності, часових і апаратурних витрат.

Незважаючи на чисельність методів вимірювань, можна виділити властиві їм спільні ознаки, за якими вимірювання розділяють на характерні різновиди. До найбільш поширених належать такі ознаки: фізична природа вимірюваних величин, функціональна залежність між шуканою і безпосередньо вимірюваною величинами, характер змінювання вимірюваної величини в часі, спосіб подання результату вимірювання, наявність попереднього (проміжного) вимірювального перетворення, кількість вимірювань у серії, характеристика точності, призначення вимірювань (рис. 1.4).

За фізичною природою вимірюваних величин вимірювання розподіляють на області і види. Під областю вимірювань фізичних величин розуміють фізичні величини, які властиві певній галузі науки та техніки й виділяються своєю специфікою. Вид вимірювань є частиною області вимірювань, що має свої особливості й відрізняється однорідністю вимірюваних величин. Поділ вимірювань на області та види не є постійним, він залежить від обєктивних і субєктивних факторів. Наведемо один із варіантів такого поділу вимірювань, прийнятий Держстандартом України:

- вимірювання геометричних величин;

- вимірювання механічних величин;

- вимірювання параметрів потоку, витрат, рівня й обєму речовин;

- вимірювання тиску, вакуумні вимірювання;

- вимірювання оптичних і оптико-фізичних величин;

- вимірювання теплофізичних величин і температури;

- вимірювання часу і частоти;

- вимірювання електричних і магнітних величин;

- вимірювання в радіоелектроніці;

- вимірювання акустичних величин;

- вимірювання фізико-хімічного складу і властивостей речовин;

- вимірювання характеристик іонізуючих випромінювань і ядерних констант.

Функціональна залежність між шуканою і безпосередньо вимірюваними величинами є однією з дуже важливих ознак, оскільки вид цієї залежності визначає вибір методу обробки результатів вимірювань при оцінці їхньої точності. За цією ознакою вимірювання розподіляють на прямі й непрямі.

Прямим називають вимірювання, при якому значення однієї фізичної величини знаходять безпосередньо з дослідних даних за показом вимірювального приладу без перетворення роду фізичної величини і обчислень поза приладом.Рівняння прямого вимірювання має вигляд

Y = X,

де результат вимірювання (шукане значення фізичної величини);

значення вимірюваної величини, одержане з дослідних даних.

Рис.1.4. Класифікація вимірювань

Прикладом прямих вимірювань є вимірювання довжини лінійкою, струму амперметром, опору омметром і т.д. До прямих належать вимірювання, при яких результат вимірювання одержують статистичною обробкою дослідних даних (багаторазових вимірювань одного і того самого розміру вимірюваної фізичної величини).

Непряме вимірювання вимірювання, при якому значення однієї чи декількох вимірюваних фізичних величин знаходять за результатами прямих вимірювань інших фізичних величин, однорідних або неоднорідних, шляхом обчислень за відомими залежностями або після вимірювальних перетворень поза вимірювальними приладами. Результати прямих вимірювань, що є проміжними для отримання потрібних результатів вимірювань, називають аргументами.

Отже, загальною особливістю непрямих вимірювань є те, що вони виконуються за два етапи: на першому етапі визначаються аргументи, а на другому етапі, етапі обчислень, значення однієї чи декількох вимірюваних (шуканих) величин за результатами вимірювань аргументів. Обчислення можуть виконуватися вручну або із застосуванням автономних обчислювальних засобів, що не входять до складу вимірювальних приладів.

За видом залежності між фізичними величинами аргументами, що вимірюються попередньо, та шуканими фізичними величинами розрізняють опосередковані, сукупні й сумісні непрямі вимірювання.

Опосередковане вимірювання непряме вимірювання однієї фізичної величини з перетворенням її роду або обчисленнями за результатами прямих вимірювань інших величин (аргументів), з якими вимірювана (шукана) фізична величина звязана явною функціональною залежністю.

У загальному випадку вона може бути записана так:

Y = F(X₁, X₂, ..., X_m), (1.6)

де X₁, X₂, ..., X_m результати прямих вимірювань m фізичних величин (аргументів).

Приклади опосередкованих вимірювань: визначення потужності P або активного опору R резистора за результатами вимірювання спаду напруги U на резисторі і струму I, який проходить через нього: .

Прямі та опосередковані вимірювання є найбільш розповсюдженими. Достоїнством прямих вимірювань слід вважати простоту як організації вимірювального експерименту, так і одержання результатів вимірювань. Опосередковані вимірювання застосовуються тоді, коли вимірювану величину неможливо або занадто складно виміряти безпосередньо, а також у випадках, коли прямі вимірювання не забезпечують потрібної точності результатів. Значно рідше на практиці використовують сукупні і сумісні вимірювання.

Сукупне вимірювання це непряме вимірювання, коли значення декількох одночасно вимірюваних однорідних фізичних величин отримують розвязанням системи рівнянь, що звязують різні сполучення цих величин з іншими однорідними величинами, вимірюваними прямо чи опосередковано. Вказана система рівнянь у загальному випадку має вигляд:

(1.7)

де Y₁, Y₂, ..., Y_j, ..., Y_m результати сукупних вимірювань;

результати безпосередніх вимірювань, що одержують прямими або опосередкованими вимірюваннями в i-му досліді, .

Для визначення m вимірюваних величин Y₁, Y₂, ..., Y_m необхідно, щоб кількість рівнянь n дорівнювала або була більшою за кількість m невідомих величин Y_j, . Розвязання системи (1.7) відносно кожної з вимірюваних величин Y_j являє собою функцію, тому окремий результат вимірювання величини Y_j можна розглядати як результат опосередкованого вимірювання.

Приклад сукупних вимірювань. Нехай треба виміряти опори трьох резисторів R₁, R₂, R₃, що зєднані зіркою (рис. 1.5), загальна точка 0 якої, за умовами вимірювань, недоступна.

Сумісне вимірювання це непряме вимірювання, коли значення декількох одночасно вимірюваних різнорідних фізичних величин отримують розвязанням системи рівнянь, що звязують ці величини з іншими різнорідними фізичними величинами, вимірюваними прямо чи опосередковано.

Сумісні вимірювання використовуються частіш за все для знаходження сталих (коефіцієнтів) у функціональних залежностях між різнорідними фізичними величинами.

У загальному випадку сумісні вимірювання можуть бути описані системою рівнянь (1.7). На відміну від сукупних вимірювань при сумісних вимірюваннях величини Y₁, Y₂, ..., Y_m та є різнорідними.

Приклад сумісних вимірювань. Треба визначити залежність опору резистора R_t від температури t: R_t = R₀(1 + t + t²). Для цього потрібно знати опір R₀ резистора при початковій температурі t₀ = 0 ^oC і сталі коефіцієнти . Для знаходження цих трьох невідомих (Y₁ = R₀; Y₂ = ; Y₃ = ) складається система трьох рівнянь за результатами вимірювання опору R_t резистора при трьох різних значеннях температури t .

Визначення прямих і непрямих вимірювань потребують деяких пояснень.

Насамперед необхідно вказати, що всі вимірювання аргументів X₁, X₂, ..., X_k здійснюються в однакових, строго визначених умовах, і результат (результати) непрямих вимірювань мусить бути привязаний до цих умов. Якщо це уточнення не брати до уваги, то до непрямих вимірювань формально будуть належати будь-які розрахунки одних величини за їх відомими залежностями від інших величин, значення яких можуть бути взяті, наприклад, із довідників (протоколів), складених на основі вимірювань у різні минулі роки, за різних умов, різними експериментаторами і різними ЗВТ. Саме тут, мабуть, знаходиться межа між непрямими вимірюваннями і розрахунками взагалі (наприклад, розрахунки механічної міцності будь-якого обєкта на основі даних про механічні властивості матеріалів, узятих із довідника).

Слід також звертати увагу на те, що найчастіше у вимірювальних приладах і системах реалізуються принципи будови, при яких на вхід вимірювального каналу (або його первинний вимірювальний перетворювач) діє не безпосередньо вимірювана величина, а деяка інша фізична величина (або декілька фізичних величин), звязана з вимірюваною величиною (величинами) відомою залежністю (залежностями). При цьому для зручності вимірювань шкалу засобу вимірювання градуюють в одиницях вимірюваної величини (величин).

Приклад 1.3. Висотомір реалізує рівняння

,

де P абсолютний тиск; h висота; t і W температура і вологість атмосфери. Тобто він безпосередньо вимірює абсолютний тиск, а шкала його градуйована в одиницях висоти (довжини).

Чи можна вважати подібні вимірювання непрямими? Формально, за визначенням, ніби то й можна. До того ж у літературі інколи подібні вимірювання відносять до непрямих, але однозначності тут немає.

Автор дотримується традиційного підходу, що нема потреби з метрологічних позицій ускладнювати поняття "непрямі вимірювання" і зводити в нього два підвиди: непрямі вимірювання, при яких вимірювана величина визначається обчисленнями за результатами прямих вимірювань аргументів, і непрямі вимірювання, при яких вимірювана величина визначається без обчислень, а безпосередньо зі шкали засобу вимірювання, як у прикладі з висотоміром. Оскільки у другому випадку результати вимірювань визначаються безпосередньо за показами вимірювальних приладів, їх треба віднести до прямих вимірювань. У цьому не просто термінологічна формальність, а досить принциповий момент з точки зору похибок. У першому випадку, при визначенні результату вимірювання шляхом обчислень за відомими функціональними залежностями, аргументами яких є результати прямих вимірювань, необхідно врахувати похибки розрахунків. У другому випадку, коли функціональна залежність між вимірюваними величинами і аргументами закладена "всередину" приладу, нема потреби (і можливості) окремо визначати похибку розрахунків: вона входить у похибку вимірювального приладу.

За характером зміни вимірюваної величини (або залежності вимірюваної величини) в часі розрізняють статичні і динамічні вимірювання.

До статичного вимірювання належить вимірювання, при якому засіб вимірювальної техніки працює в статичному режимі, тобто коли вимірювана величина і відповідний їй сигнал вимірювальної інформації засобу вимірювальної техніки залишаються практично постійними протягом часу вимірювання або часу використання сигналу.

До динамічного вимірювання належить вимірювання, яке виконується засобом вимірювальної техніки в динамічному режимі, тобто коли вимірювана величина і відповідний їй сигнал вимірювальної інформації засобу вимірювальної техніки змінюються в часі так, що для одержання результату вимірювання необхідно враховувати ці зміни.

За способом (формою) подання результату вимірювання розділяють на абсолютні та відносні.

Абсолютне вимірювання це вимірювання, яке приводить до значення (значень) вимірюваної величини (вимірюваних величин), вираженої (виражених) в одиницях цієї величини.

Наприклад, вимірювання сили тяжіння F ґрунтується на вимірюванні основної величини маси m і використанні фізичної константи прискорення вільного падіння g: .

Відносне вимірювання це вимірювання відношення однієї фізичної величини до однорідної фізичної величини, взятої за одиницю, або змінювання величини відносно однорідної величини, взятої за вихідну. Наприклад, вимірювання відносної вологості повітря, яку визначають як відношення водяних парів в 1 м³ повітря до кількості водяних парів, що насичують 1 м³ повітря при заданій температурі.

За наявністю попереднього вимірювального перетворення вимірювання розділяють на безпосередні і з попереднім перетворенням. При безпосередніх вимірюваннях фізична величина вимірюється без будь-яких попередніх перетворень шляхом її порівняння з заданою фізичною величиною мірою, однорідною з вимірюваною. Вимірювання з попереднім перетворенням це вимірювання, при яких вимірювана величина перетворюється в проміжну величину, що може бути відображена заданим розміром і піддається порівнянню.

Залежно від обєкта вимірювання, його фізичної моделі, властивостей та інших складових процесу вимірювання виконують одноразові (звичайні) або багаторазові (статистичні) вимірювання.

Найбільш розповсюдженими є одноразові вимірювання, тобто вимірювання фізичної величини виконані один раз. Проте в цілому ряді практичних випадків, зокрема при використанні результатів вимірювань для прийняття рішень про стан якогось обєкта або при виконанні вимірювань з підвищеною точністю, вимірювання одного і того самого розміру фізичної величини здійснюються декілька разів, тобто багаторазово (див. підп. 4.1.2.). Отже, до багаторазових вимірювань слід віднести ті вимірювання, результат яких отримують шляхом обробки результатів повторних вимірювань фізичної величини одного і того самого розміру, виконаних більше трьох разів. Це пояснюється тим, що саме за таких умов для обробки результатів вимірювань можуть бути використані методи математичної статистики. Вимірювання одного і того самого розміру фізичної величини, які повторюються два або три рази, допускається називати дво- або триразовими.

Звернемо увагу на те, що багаторазові вимірювання формально схожі на опосередковані. Проте відносити їх до опосередкованих недоцільно, оскільки результат багаторазових вимірювань одержують шляхом обробки групи (серії) результатів вимірювань однорідної фізичної величини одного і того самого розміру, що не є адекватним визначенню опосередкованих вимірювань.

За характеристикою точності розрізняють рівноточні та нерівноточні багаторазові вимірювання. В першому випадку всі вимірювання в серії (або всі серії вимірювань), які використовуються для визначення результату багаторазових вимірювань, виконуються з однаковою точністю (похибкою), а в другому випадку окремі вимірювання в серії (або окремі серії вимірювань) з різною точністю (похибками).

Під серією слід розуміти декілька (більше трьох) послідовно виконаних вимірювань фізичної величини незмінного розміру одними і тими самими методами та ЗВТ, в однакових умовах, одним оператором.

Для визначення рівноточності (або нерівноточності) серії вимірювань використовуються відповідні критерії (див. підп. 4.2.3).

Залежно від призначення вимірювань або від вимог, які ставляться до точності (похибки) вимірювань, останні розділяють на метрологічні (підвищеної точності, прецизійні) і технічні.

Метрологічне вимірювання це вимірювання, яке виконують за участю еталонів або зразкових ЗВТ з метою відтворення одиниць вимірювань або передавання їх розмірів робочим ЗВТ.

У свою чергу, метрологічні вимірювання поділяють на еталонні та контрольно-перевірні. Еталонні вимірювання здійснюються з найбільшою точністю (або найменшою похибкою), яку досягають при існуючому рівні метрології і вимірювальної техніки. До них, наприклад, можуть належати вимірювання фізичних констант та вимірювання при відтворенні основних одиниць вимірювань. При контрольно-перевірних вимірюваннях точність (або похибка) обмежується деяким заданим значенням, яке встановлюється нормативно-технічними документами або вибирається, зважаючи на практичну доцільність.

Технічне вимірювання це вимірювання, яке виконують за участю робочих ЗВТ і не звязане з передаванням розмірів одиниць вимірювань. Технічні вимірювання поділяють на лабораторні, що виконуються при різних дослідженнях, і експлуатаційні вимірювання, метою яких є контроль параметрів обєктів і техн ...........