Глава 3 Операции и методы измерения Менделеев Д

Глава 3. Операции и методы измерения Менделеев Д. И. «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять, точная наука (начинается) немыслима без меры» .

3. 1 Основные операции измерения и средства их реализации Предпосылки реализации измерения: n n Установление системы единиц физ. величин; Вещественная реализация единицы физ. величины (в виде меры); Наличие устройства для сравнения измеряемой величины с величиной воспроизводимой мерой; Возможно потребуется произвести измерительное и масштабное преобразование;

Специальные технические средства, предназначенные для реализации измерений и обладающие нормированными метрологическими характеристиками называются СРЕДСТВАМИ ИЗМЕРЕНИЙ (CИ) по возможности полного завершения процедуры измерения ЭСИ Мера Устройство сравнения Измерительный преобразователь Масштабный преобразователь КСИ измерительный прибор измерительная система информационноизмерительная система

Операция ЭСИ реализации операции измерения Измерительное преобразование Измерительный преобразователь (ИП) Сравнение Устройство сравнения (компаратор) (УС) Воспроизведение величины заданного размера Масштабный преобразователь (МП) X X Мера (М) Масштабное преобразование Условное обозначение ЭСИ ИП Y УС ai М X МП X 1

3. 1. 1 Воспроизведение величины заданного размера и мера Воспроизведение величины заданного размера – это важнейшая операция процесса измерения, заключающаяся в создании выходного сигнала с заданным размером информационного параметра. ЭСИ, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера с определенной точностью, называется мерой. М

Основные характеристики меры n Номинальное значение xм n Действительное значение n Абсолютная погрешность

По функциональному назначению Образцовые меры Эталоны Международные Государственные Вторичные (рабочие) Рабочие меры Однозначные Многозначные Регулируемые Многоканальные

Мера всех вещей Килограмм – это единица массы, равная массе международного прототипа килограмма.

Мера всех вещей Секунда – время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия 133 Сs.

Мера всех вещей Метр равен расстоянию, которое свет проходит в вакууме за 1/299792458 доли секунды.

Мера всех вещей Кандела – сила света источника, испускающего в данном направлении монохроматическое излучение частоты 540 х1012 Гц, энергетическая сила светового излучения которого в этом направлении составляет 1/638 Вт/ср.

Мера всех вещей Кельвин – единица термодинамической температуры, равная 1/273, 16 части термодинамической температуры тройной точки воды.

Мера всех вещей Моль – это единица количества вещества. Моль равен количеству вещества в системе, содержащей столько же структурных элементов (частиц), сколько атомов содержится в образце изотопа углерода 12 С массой 0, 012 кг.

Мера всех вещей Ампер – сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывает между этими проводниками силу взаимодействия, равную 2 х10– 7 Н.

Законы регулирования меры n Детерминированный t n Случайный 1 x

Одноканальная нерегулируемая мера М Например: резистор, гиря

Одноканальная регулируемая мера М Например: конденсатор переменной емкости, Например: выполненный в виде переключаемого набора емкостей, весы, магазин сопротивлений

Многоканальная нерегулируемая мера Ni Например: линейка, делитель напряжения

Многоканальная регулируемая мера Ni

Степень совершенства меры постоянством размера каждой ступени квантования меры ; n степенью многозначности меры, т. е. числом воспроизводимых известных значений ее выходной величины. n С наиболее высокой точностью воспроизводятся основные ФВ: длина, масса, время, частота, напряжение, ток.

3. 1. 2 Сравнение величин и устройство сравнения Сигнал – любой материальный носитель информации. n Измерительный сигнал – постоянная или сигнал изменяющаяся физическая величина, отображающая сообщение или информацию. Один из параметров измерительного сигнала обычно функционально связан с измеряемой величиной вероятностной зависимостью. n физический процесс:

зависимости от возможности создания разностного сигнала 1 -я метрологическая группа: электрические, магнитные, механические ФВ 2 -я метрологическая группа: световые потоки, ионизирующие излучения, потоки жидкости и газа 3 -я метрологическая группа: влажность, концентрация веществ, цвет, запах

Устройство сравнения на основе одновременного вычитания X 1 В Δp РЭ УС X 2

Устройство сравнения на основе операции деления X 1 Д УС X 2

n непосредственное деление , n деление с предварительным логарифмированием, вычитанием и антилогарифмированием: n деление с предварительным логарифмированием и дифференцированием делителя и последующим умножением на делимое:

Устройство периодического сравнения на основе разновременного вычитания X 1, X 2 X 1(t) X 2 X 1, X 2 t X 2 Синхронный детектор Опорный сигнал X 1 t Генератор ai

Степень совершенства устройства сравнения минимально возможным порогом чувствительности устройства сравнения: при котором УС еще выдает сигнал о равенстве сигналов X и x. N. n а также его быстродействием. n У идеального устройства сравнения В реальном УС наличие порога чувствительности приводит к возникновению аддитивной погрешности. При выявлении соотношения между величинами, одна из которых изменяется ступенями , необходимо соблюдение условия:

3. 1. 3 Измерительное преобразование и измерительный преобразователь В настоящее время число исследуемых, измеряемых физических величин и параметров процессов очень велико (около 2500) и непрерывно увеличивается. А возможности средств измерения: n по роду входных сигналов; n по пределам измерения; n по входному сопротивлению, n динамическим характеристикам, n частотному диапазону ограничены.

n Измерительное преобразование – операция преобразование преобразования входного сигнала в выходной, информативный параметр которого с заданной степенью точности функционально связан с точности информативным параметром входного сигнала и может быть измерен с достаточной степенью точности. n Измерительный преобразователь (ИП) – это (ИП) элементарное средство измерений (ЭСИ), предназначенной для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. X ИП Y = f(X)

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ (ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ВЫСОТОМЕР). датчик 1 – мембрана 2 – качалка 3 – реостатный ИП 4 – мостовая измерительная цепь 5 – усилитель 6 – цепь с R, L, C-параметрами 7 – измерительный механизм

Элементарные операции измерительного преобразования: n n n n изменение физического рода сигнала или величины; масштабно-линейное преобразование; масштабно-временное преобразование (смещение, сжатие или растяжение во времени); нелинейное или функциональное преобразование; модуляция; дискретизация непрерывного сигнала; квантование.

Измерительным преобразованием достигается n n n n согласование исследуемого процесса и СИ по роду сигнала или величины; линейное согласование пределов изменения измеряемой величины и пределов измерения СИ; согласование частотного диапазона; нелинейное согласование пределов изменения ФВ и пределов СИ (например, логарифмическое); компенсация нелинейности первичных измерительных преобразователей; функциональное выделение измеряемой величины из входного сигнала; уменьшение искажений исследуемого процесса изза присоединения СИ; уменьшение погрешностей от внутренних и внешних помех и других причин.

Унифицированными сигналами являются: n постоянное напряжение в диапазоне 0… 10 В; n постоянный ток в диапазонах 0… 5 м. А, 0… 20 м. А и 4… 20 м. А; n частота от 4 Гц до 100 к. Гц.

Характеристика идеального измерительного преобразователя: Y=KX, линейна, ¨ безынерционна, ¨ стабильна, ¨ проходит через начало координат. ¨

Характеристика реального измерительного преобразователя: может отличаться от идеальной n смещением нуля; n изменением наклона (нестабильностью чувствительности); n нелинейными искажениями.

3. 1. 4 Масштабирование величины и масштабный преобразователь n n Масштабирование – это преобразование входного сигнала в однородный выходной, размер информативного параметра которого пропорционален в К размеру информативного параметра входного сигнала. Масштабное преобразование реализуется в устройстве, которое называется масштабным преобразователем (МП). Масштабные преобразователи (МП) создаются (обычно) для ФВ, характеризующих явления направленного действия (напряжений, токов и т п).

Законы регулирования МП Детерминированный n n Случайный t p(K) 1 K

Одноканальный нерегулируемый МП МП K = const Например: трансформаторы напряжения и тока

Одноканальный регулируемый МП МП

Многоканальный нерегулируемый МП

Многоканальный регулируемый МП

Степень совершенства масштабного преобразователя определяется степенью его n стабильности, n безынерционности.