Раздел А. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ

Глава первая. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ И КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

1-1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ и ОПРЕДЕЛЕНИЯ

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.

Физические величины различают в качественном и количественном отношении. Качественная сторона определяет «вид» величины (например, электрическое сопротивление), а количественная — ее «размер» (например, сопротивление конкретного резистора). Таким образом, физическая величина — свойство, общее в качественном отношении для множества объектов и индивидуальное в количественном отношении для каждого из них. Количественное содержание свойства, соответствующего понятию «физическая величина», в данном объекте — размер физической величины. Размер физической величины существует объективно, вне зависимости от того, что мы знаем о нем.

В результате измерений человек получает знания об объектах в виде значений физических величин. Понятие «физическая величина» распространяют на свойства, изучаемые не только в физике, но и в других областях науки и техники.

В ГОСТ 16263-70 «Метрология. Термины и определения» дано определение понятия «измерение»: измерение — нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

В этом определении отражены следующие главные признаки понятия «измерение»:

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.

Часто применяют понятие «точность измерения», имея при этом в виду качество измерения, отражающее близость результата измерения к истинному значению измеряемой величины.

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.

Физическую величину, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице, называют единицей физической величины. Размер единицы физической величины может быть любым. Однако измерения должны выполняться в общепринятых единицах. Общность единиц в международном масштабе устанавливают международными соглашениями. В СССР действует ГОСТ 8.417-81 (СТ СЭВ 1052-78) «Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы физических величин», согласно которому в нашей стране введена к обязательному применению международная система единиц (СИ).

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.

Идеализация, необходимая для построения модели, обусловливает неизбежное несоответствие между параметром модели и реальным свойством объекта, что приводит к погрешности. Если погрешность «несоответствия» превышает предел допускаемой погрешности измерения, то измерение с требуемой точностью невозможно и это приводит к необходимости задаваться новой моделью.

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.

При измерениях используют понятие «информация». Информация — это совокупность сведений, уменьшающих начальную неопределенность знаний об объекте. Одними из наиболее важных являются сведения о количественных характеристиках свойств объектов, которые получают путем измерений. Такие

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).

В процессе измерения любой физической величины происходят преобразования сигнала, несущего измерительную информацию. Такие преобразования, выполняемые с установленной погрешностью, называют измерительными преобразованиями. При математическом анализе для упрощения считают, что при измерительных преобразованиях происходят «преобразования» одной величины в другую, хотя фактически преобразуются сигналы.

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.

Число выражают либо в виде комбинации цифр отсчета, либо в виде комбинации условных сигналов. Комбинацию цифр в виде числа или комбинацию условных сигналов для представления называют кодом. Кодом также называют набор однозначных правил для образования комбинаций цифр или условных сигналов, представляющих число (дискретное сообщение). Представление в виде кода — кодирование.

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.

Процедуру, связанную с определением соответствия между исследуемым объектом и заданным образом, называют распознаванием образа. Основная задача распознавания образа заключается в сопоставлении по признакам распознавания «эталонных» образов с данным объектом и решении вопроса об отнесении объекта к определенному образу. При распознавании материальных объектов и происходящих в них процессов, характеризующихся параметрами, эти параметры измеряют и сопоставляют их значения с областью значений, определяющих количественное описание свойств образа.

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.