Измерительные приборы и установки

Измерения физических величин выполняются с помощью устройств, называемых измерительными приборами или измерительными установками.

Измерительным прибором называют измерительное устройство, представляющее собой более или менее единое целое и градуированное по большей части непосредственно в единицах измеряемой физической величины. Измерительная установка обычно включает в себя несколько приборов и вспомогательных устройств. Четкую грань между прибором и установкой провести трудно. Так, если температура измеряется при помощи термопары и вольтметра, можно говорить о термоэлектрической установке, а можно то же самое назвать электрическим термометром.

Кроме измерительных приборов и вспомогательных устройств в состав измерительных установок часто входят меры или наборы мер. Сюда относятся гири, катушки, магазины сопротивлений и индуктивностей, нормальные гальванические элементы и т. д. К специфическим мерам относят стандартные образцы свойств и состава веществ и материалов.

Измерительные приборы и установки характеризуются пределами измерений, чувствительностью, ценой деления и точностью.

Чувствительность. Всякое измерение есть последовательность действий оператора и физических процессов в установке, результатом которых является перемещение какого-либо указателя на шкале. Такая форма сигнала, пропорциональная измеряемой физической величине, называется аналоговой. В более современных приборах аналоговая форма выходного сигнала преобразуется в цифровую форму и результат высвечивается на цифровом табло. И наконец, у приборов современного поколения часто имеются каналы сочленения с компьютером. В этом случае измерительная информация может быть представлена в графическом виде.

Чувствительностью прибора называют отношение перемещения указателя или изменения показания цифрового табло к вызвавшему его изменению измеряемой величины X. Перемещение обычно измеряется в единицах длины, в делениях шкалы, нанесенной на приборе. Иногда бывает полезно вводить вместо линейного перемещения угол поворота указателя. Особенно часто это имеет место в электроизмерительных приборах. Согласно определениям чувствительность определяется как

 (1.25)

Иногда понятие чувствительности трактуют иначе, определяя ее как отношение сигналов на входе и на выходе преобразователя. В зависимости от вида функции I = F(x) чувствительность может быть либо постоянной величиной, либо величиной, зависящей от х. В первом случае говорят, что прибор имеет линейную шкалу, во втором случае - нелинейную. Уместно указать сразу, что линейность шкалы зависит не только от характеристик преобразователя, но и от выбора единиц физических величин .

Наряду с чувствительностью при многих видах измерений важное значение имеет порог чувствительности, т.е. минимальное изменение измеряемой величины, которое может быть отмечено данным прибором. Порог чувствительности тем ниже, чем больше чувствительность, но он зависит еще и от конкретных условий наблюдения, например возможности различать малые отклонения, стабильности показаний, величины застойного трения и т. д.

Цена деления шкалы для приборов, шкала которых градуирована в произвольных делениях, например в миллиметрах или в градусах, есть величина, обратная чувствительности Е, т. е.

 (1.26)

где I и φ есть линейное и угловое перемещения.

Приборы, имеющие нелинейную зависимость отсчета от измеряемой величины, часто снабжаются неравномерной шкалой, деления которой пропорциональны х. Эта шкала может быть оцифрована непосредственно в единицах х или в каких-либо произвольных единицах.

Точность прибора. Характеристика прибора, отражающая погрешность измерений, которую можно обеспечить с пользованием данного прибора. Часто в метрологии используется понятие «класс точности» прибора или меры. Во многих случаях приборы градуируются так, чтобы цена деления шкалы несколько превышала максимальную погрешность градуировки. В этом смысле между точностью и чувствительностью существует определенное соответствие. Однако, этого принципа градуировки придерживаются не всегда, и поэтому путать точность и чувствительность прибора не следует.

В зависимости от класса точности приборы разделяются на классы: первый, второй и т.д. Допускаемые погрешности для разных типов приборов регламентируются государственными стандартами.

Градуировка прибора чаще всего производится на заводе изготовителе. Однако часто пользователю приходится самостоятельно переградуировать прибор. Как правило, такая необходимость возникает, если мы хотим провести более точные измерения, чем это гарантировано паспортными данными, или когда используется какое-либо дополнительное оборудование, влияющее на показания прибора. Например, в спектрофотометре на пропускание может быть установлена приставка, позволяющая работать на отражение. Такая приставка может повлиять на метрологические характеристики спектрофотометра, поэтому проверка градуировки прибора оказывается необходимой.

При градуировке показания прибора сравнивают с показаниями другого более точного прибора или используют меру соответствующего класса точности. Результаты градуировки обычно представляют в одной из следующих форм:

• градуировочный график - зависимость истинного значения измеряемой величины от отсчета по шкале прибора. График должен строиться в масштабе, позволяющим находить истинное значение без потери точности;
• график поправок к показаниям прибора удобен, если прибор уже проградуирован в единицах измеряемой величины. Особенно этот метод удобен для неградуированных приборов. В этом случае определяют нулевой отсчет α0 и коэффициент пропорциональности С для перерасчета отсчетов α в значения измеряемой величины: ;
• таблицы поправок или значений измеряемой величины в зависимости от показаний прибора в делениях его шкалы. Шаг таблицы должен быть достаточно малым, чтобы промежуточные значения без потери точности можно было бы находить линейной интерполяцией.

Измерительные приборы в большинстве своем состоят из датчика (измерительного преобразователя), преобразователя сигнала в аналоговую или цифровую форму и отсчетного устройства. В современных приборах, кроме того, используются различные запоминающие устройства - самописцы или магнитные накопители, а также устройства сочленения прибора с компьютером. В последнем случае появляются дополнительные возможности у пользователя, например статистическая обработка результатов, возможность проведения измерений в динамическом режиме, а также многие сервисные возможности в зависимости от программного обеспечения процедуры измерений. Компьютер может также управлять процессом измерений.

На первичных преобразователях, датчиках имеет смысл останавливаться при рассмотрении конкретных видов измерения. Это могут быть термопары, датчики давления, температуры, влажности, концентрационно чувствительные датчики, фотоприемники различных типов, микрофоны.

Преобразователи сигналов, также как и датчики, весьма разнообразны по принципу действия и по назначению. Это могут быть усилители, катодные повторители, амплитудно-частотные преобразователи, согласующие устройства и т. д. Соответствующие вопросы описаны в специальной литературе, посвященной электронной и усилительной технике. То же самое относится к возможностям использования компьютеров.

Методы измерений и измерительные приборы очень разнообразны, т. к. разнообразны сами физические величины, разнообразны диапазоны измеряемых величин, разнообразны классы точности, условия проведения измерений и предъявляемые к ним требования. Но во всем этом многообразии существуют общие принципы, которые позволяют оценить качество или класс точности измерений.

Во многих случаях процесс измерения сводится к простому считыванию результата по шкале или с цифрового индикатора. Такие методы называют методами непосредственной оценки, а приборы такого типа называют приборами прямого действия. Эти методы наиболее просты и занимают минимальное время. Однако их точность ниже, чем у других более трудоемких методов измерения.

Значительно более точными, но и более трудоемкими являются методы компарирования (сравнения) измеряемой величины с мерой. Такие методы называют иногда нулевыми методами, т. к. при их использовании фиксируется разность между измеряемыми величинами. Соответственно, при высокой чувствительности прибора точность измерения на нем будет определяться классом точности меры. При рассмотрении поверочных схем указывалось, что при передаче размера единицы от образцовой меры или прибора к рабочему средству измерения точность уменьшается в 2-3 раза. Это относится к приборам прямого действия. При компарировании передача размера единицы может проводиться практически без потери точности. В качестве примера метода компарирования можно указать взвешивание на весах с коромыслом, двухлучевую фотометрию, измерение электрических величин мостиковыми схемами и т. д.

Несколько более удобной разновидностью метода компарирования является дифференциальный метод. В этом методе добиваются приближенного уравновешивания противоположных воздействий, а их малая разность измеряется методом непосредственной оценки. Например, при взвешивании часть груза можно уравновесить гирями, а часть измерить по отклонению стрелки коромысла от нуля. Такой метод несколько менее точен, чем чистое компарирование, но зато можно получить значительный выигрыш во времени измерения.

Нулевой и дифференциальный методы обеспечивают снижение случайной погрешности. Для борьбы с систематическими погрешностями полезна другая разновидность компарирования - методзамещения. Так, измеряя сопротивление можно включить в цепь амперметр и вольтметр, а затем, сняв их показания, заменить измеряемое сопротивление магазином эталонных сопротивлений так, чтобы получить те же отсчеты амперметра и вольтметра. Очевидно, что погрешность в градуировке амперметра и вольтметра уже никак не скажутся на результате измерения сопротивления. Методзамещения часто применяют в сочетании с нулевым или дифференциальным методами.

Интересной разновидностью компарирования является метод совпадений, применяемый к периодическим во времени или в пространстве процессам. Если, например, необходимо измерить частоту ν, имея генератор стандартной частоты ν0, то метод совпадений означает регистрацию совпадения n1 номера частоты ν с n0 номером частоты ν0. Тогда процесс измерения частоты сводится к измерению номеров периодических процессов. Если эталонная частота ν0 хорошо известна, то с той же практически точностью измеряются частота . Особенно такой метод полезен при измерениях атомных структур, например времен жизни возбужденных состояний атомов.