Современная информационно-измерительная техника

Современная информационно-измерительная техника (ИИТ) располагает совокупностью средств для измерения многих физических величин: электрических, магнитных, тепловых, механических, световых акустических. Однако большинство из них в процессе измерения преобразуется в величины электрические как наиболее удобные для передачи, усиления, сравнения, точного измерения.

Знания в области ИИТ требует их систематизации и обобщения на основе поэтапного системного подхода.

Первым этапом является последовательное изложение основных понятий, установленных         ГОСТ 16263—70, на основе выявления их связей с более общими понятиями математической логики.

Вторым этапом является функциональный анализ понятий «измерение» и «контроль». При этом процедура измерения подразделяется на операции: воспроизведения, сравнения, измерительного преобразования, совокупность которых является функционально полной для нахождения результата измерения величины X. Соответственно рассматриваются средства выполнения этих операций: меры, устройства сравнения, масштабные и измерительные преобразователи.

Третьим этапом является синтез методов прямых измерений без предварительных преобразований на основе использования многозначности мер и масштабных преобразователей, определение алгоритмов и уравнений различных методов измерений и контроля основных структур измерительных и контрольных устройств.

Четвертым этапом является анализ уравнений погрешностей измерения  и средств измерения, изложение основ общей теории погрешностей и измерений методов повышения точности измерительных преобразований, установление их алгоритмов, структур измерительных преобразователей с коррекцией погрешностей.

Пятым этапом является изучение основ метрологического обеспечения и Государственной  системы  обеспечения  единства  измерений

Виды и методы измерений

Измерение - процесс нахождения значения физической величины опытным путем с помощью средств измерения.

Принцип измерений - физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений. Например, измерение массы тела при помощи взвешивания с использованием силы тяжести, пропорциональной массе, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта.

 

Метод измерений - совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

 

Средствами измерений (СИ) являются используемые технические средства, имеющие нормированные метрологические свойства.

 

Существует различные виды измерений. Классификацию видов измерения проводят, исходя из характера зависимости измеряемой величины от времени, вида уравнения измерений, условий, определяющих точность результата измерений и способов выражения этих результатов.

 

По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения выделяют статические и динамические измерения.

Статические - это измерения, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени. Такими измерениями являются, например, измерения размеров изделия, величины постоянного давления, температуры и др.

 

Динамические - это измерения, в процессе которых измеряемая величина изменяется во времени, например, измерение давления и температуры при сжатии газа в цилиндре двигателя.

 

По способу получения результатов, определяемому видом уравнения измерений, выделяют прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения.

Прямые - это измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. Прямые измерения можно выразить формулой Q = X, где Q - искомое значение измеряемой величины, а X - значение, непосредственно получаемое из опытных данных. Примерами таких измерений являются: измерение длины линейкой или рулеткой, измерение диаметра штангенциркулем или микрометром, измерение угла угломером, измерение температуры термометром и т.п.

 

Косвенные - это измерения, при которых значение величины определяют на основании известной зависимости между искомой величиной и величинами, значения которых находят прямыми измерениями. Таким образом, значение измеряемой величины вычисляют по формуле Q = F(x1, x2 ... xN), где Q - искомое значение измеряемой величины; F - известная функциональная зависимость, x1, x2, … , xN - значения величин, полученные прямыми измерениями. Примеры косвенных измерений: определение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров, нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения, измерение среднего диаметра резьбы методом трёх проволочек и т.д. Косвенные измерения широко распространены в тех случаях, когда искомую величину невозможно или слишком сложно измерить прямым измерением. Встречаются случаи, когда величину можно измерить только косвенным путём, например размеры астрономического или внутриатомного порядка.

 

Совокупные - это такие измерения, при которых значения измеряемых величин определяют по результатам повторных измерений одной или нескольких одноименных величин при различных сочетаниях мер или этих величин. Значение искомой величины определяют решением системы уравнений, составляемых по результатам нескольких прямых измерений. Примером совокупных измерений является определение массы отдельных гирь набора, т.е. проведение калибровки по известной массе одной из них и по результатам прямых измерений и сравнения масс различных сочетаний гирь. Рассмотрим пример совокупных измерений, который заключается в проведении калибровки разновеса, состоящего из гирь массой 1, 2, 2*, 5, 10 и 20 кг. Ряд гирь (кроме 2*) представляет собой образцовые массы разного размера. Звездочкой отмечена гиря, имеющая значение, отличное от точного значения 2 кг. Калибровка состоит в определении массы каждой гири по одной образцовой гире, например по гире массой 1 кг. Меняя комбинацию гирь, проведем измерения. Составим уравнения, где цифрами обозначим массу отдельных гирь, например 1обр обозначает массу образцовой гири в 1 кг, тогда: 1 = 1обр + a; 1 + 1обр = 2 + b; 2* = 2 + c; 1 + 2 + 2* = 5 + d и т.д. Дополнительные грузы, которые необходимо прибавлять к массе гири указанной в правой части уравнения или отнимать от неё для уравновешивания весов, обозначены a, b, c, d . Решив эту систему уравнений, можно определить значение массы каждой гири.

 

Совместные - это измерения, производимые одновременно двух или нескольких разноименных величин для нахождения функциональной зависимости между ними. Примерами совместных измерений являются определение длины стержня в зависимости от его температуры или зависимости электрического сопротивления проводника от давления и температуры.

Классификация видов и методов измерений

Современный этап развития измерений и измерительной техники характеризуется большим разнообразием измеряемых величин, различным характером их изменения во времени, условий измерений, требований к точности измерения и т.д. Это обусловило широкое развитие различных видов и методов измерений. Для обеспечения возможности систематизации и выявления общих закономерностей всего многообразия измерений их классифицируют по наиболее существенным признакам.

Следует отметить, что виды и методы измерений классифицируются как по признакам, предусмотренным РМГ 29-99, так и по различным «нестандартизированным» признакам, появление которых связано с бурным развитием цифровых измерительных устройств и все более широким использованием современной вычислительной техники при измерениях.

Рассмотрим прежде всего, как классифицируются виды измерений в соответствии с признаками, предусмотренными стандартом.

В зависимости от способа обработки экспериментальных данных для нахождения результата измерения разделяются на прямые, косвенные, совместные, совокупные.

Прямое измерение - измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно.

Косвенное измерение - измерение, при котором искомое значение физической величины определяют на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. При косвенном измерении значение измеряемой величины получают путем решения уравнения x=G(x1,x2…xn), где x1,x2…xn - значения величин, полученных прямым измерением.

Совместными называют одновременные измерения нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними.

Совокупные измерения – одновременно проводимые измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях. Причем число уравнений должно быть не меньше числа величин.

В зависимости от количества наблюдений, выполняемых для получения результата измерительного эксперимента, измерения разделяются на однократные и многократные.

Наблюдение – экспериментальная операция, выполняемая в процессе измерения, в результате которой получают одно из группы значений величины. Для получения результата измерений с многократными наблюдениями требуется статистическая обработка наблюдений. Измерения вероятностных характеристик случайных процессов называют статистическими измерениями.

В зависимости от режима работы применяемые средства измерения распределяются на статические и динамические. Статическими называют измерения физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения. Динамическое измерение – измерение изменяющейся по размеру физической величины.

По характеристике точности измерения разделяются на равноточные и неравноточные.Равноточными измерениями называют ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений и в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью. Неравноточными называют ряд измерений какой-либо величины, выполненных различающимися по точности средствами измерений и (или) в разных условиях.

По выражению результата измерения разделяются на абсолютные и относительные. Абсолютноеизмерение основано на прямых измерениях одной или нескольких величин и (или) использовании значений физических констант. Относительное измерение – измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

По метрологическому назначению измерения разделяются на технические и метрологические.

Техническими называются измерения с помощью рабочих средств измерений. Метрологическиеизмерения проводятся при помощи эталонов и образцовых средств измерений с целью воспроизведения физических величин для передачи их размера рабочим средствам измерения.

К видам измерений, классифицируемым по признакам, предусмотренным стандартом, добавим измерения различаемые по другим признакам [6].

При наличие предварительного измерительного преобразования измерения подразделяют также на: 1) непосредственные, при которых величина измеряется без любых предварительных преобразований сравнением с выходной величиной меры, однородной с измеряемой, и 2) спредварительным преобразованием, при которых измеряемая величина предварительно преобразуется в величину, которая может быть воспроизведена с заданным размером и поддается сравнению.

По мерности измеряемой величины измерения классифицируются на одномерные имногомерные. Например, многомерным называется измерение вектора напряжения, когда требуется раздельно измерять активную и реактивную составляющие, отсекая влияние неинформативных параметров сигнала.

По соотношению между числом n измеряемых величин и числом уравнений измерения m величины измерения разделяют на неизбыточные и избыточные, или множественные. При m=nизмерения неизбыточные (т.е. однократные), при m>n – избыточные.

По способу осуществления избыточности множественные измерения подразделяются намногократные и многоканальные, что определяет возможность осуществления избыточности либо повторными измерениями, т.е. многократными наблюдениями, либо разовым m-канальным измерением, либо их комбинацией.

Переходя к классификации методов измерений, уточним определение самого предмета классификации. Здесь также возможны два подхода к трактованию смысла понятия метода измерения.

Первый подход [4] основывается на положениях классической метрологии и закреплен соответствующими формулировками РМГ 29-99. Согласно стандарту, под методом измерений понимается «прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений».

Второй подход [6] предполагает более широкое трактование этого понятия: метод измерения определяется «как алгоритм использования операций воспроизведения, сравнения, измерительного преобразования, масштабирования и запоминания с целью получения значения величины – результата измерения». В данной интерпретации присутствует характеристика метода как измерительной процедуры в целом, а не только операции сравнения, предполагается корректное описание последовательности действий (алгоритма) выполняемых при получении результата измерений.

В связи с этим, а также учитывая широкое использование в измерительных процедурах элементов цифровой электроники и программируемой вычислительной техники, предлагается [4] следующее развитие определения: «метод измерений характеризуется последовательностью измерительных преобразований, в которую обязательно входят сравнение, аналого-цифровое преобразование и масштабирование, а также при необходимости дополнительные преобразования, выполняемые в аналоговой и числовой форме и цифроаналоговое преобразование». При этом аналого-цифровое преобразование связывает аналоговые числовые измерительные преобразования, а масштабирование заключает измерительную процедуру.

Соответственно рассмотренным вариантам толкования понятия «метод измерения» существует два варианта классификации методов измерения.

Первый вариант классификации предполагает, что в соответствии с РМГ 29-99 все методы измерений подразделяются на две группы: методы непосредственной оценки и методы сравнения.

Согласно методу непосредственной оценки значение измеряемой величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений.

К методам сравнения с мерой относятся методы измерений, в которых производится сравнение измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой. Сравнение может быть непосредственным или опосредованным через другие величины, однозначно связанные с первыми. Отличительная черта методов сравнения - известная величина однородна с измеряемой.