Основи на измерванията
1. Основни принципи на измерванията
Съдържанието на тази книга за теорията на измерването и нейните приложения може да бъде разделено на три части: общ раздел (Глава 1); раздел, в който се ограничаваме до измервания на физични величини (глава 2); и раздел, който стеснява темата още повече до електрически и електронни измервания (глави 3 и 4). Последното ограничение не е толкова силно, колкото може да изглежда; Днес повечето измервания се извършват по електронен път, включително измерването на величини, които сами по себе си не са електрически. За да направите това, може да се наложи да преобразувате съответното неелектрическо количество в измеримо електрическо количество. Тази трансформация се извършва от така наречения сензор (Глава 3).
В тази първа глава ще разгледаме основите на измерването, ще дефинираме какво се разбира под измерване и ще хвърлим малко светлина върху целите на измерването. След това научната основа (теорията на измерванията) ще бъде включена в предмета на разглеждане и накрая ще проучим въпроса защо измерването на нефизични величини е толкова трудно.
Възможно работно описание на термина "измерване", в съответствие с нашата интуиция, е: "измерването е получаване на информация." Един от най-съществените аспекти на измерването е събирането на информация; измерванията се правят, за да се научи нещо за обекта на измерване, тоест за измереното количество. Това означава, че резултатът от измерването трябва да описва състоянието или явлението в света около нас, което измерваме. Трябва да има някаква връзка между това състояние или явление и резултата от измерването. Въпреки получаването на информацияочевидно е само необходимо, но не достатъчно, за да се определи измерването: когато някой чете учебник, той натрупва информация, но не прави измервания.
Нефизическите величини, открити в нетехнически области, са много трудни и понякога невъзможни за измерване, главно защото са характеристики на много сложни системи (хора, организации, общества и т.н.). Следователно, когато се работи с нефизически характеристики, състояния или явления в такива системи, кардиналните измервания се извършват много рядко.
2. Измерване на физични величини
В следващите глави ще се ограничим до изучаването на измервания на физически характеристики, като механични, магнитни и електрически величини. В този случай измерването се разбира като последователност от операции, извършвани върху физически обект или система (обект на измерване), съгласно установено и документирано правило (метод, стратегия за измерване) с помощта на технически средства (измервателна система), за да се определят определени физически свойства на обект или система. Измерването може да се разглежда и като получаване на информация (метрична и/или структурна) за агрегатни състояния или явления, извършвана с помощта на технически средства.
Информацията, натрупана от човечеството през вековете, заедно формира нашата "гледна точка" за света. Тази идея за света или неговия образ е отразена в хипотези, теореми и закони на природата. Следователно измерванията са източникът на нашето научно познание. С други думи: „Във физиката има само това, което може да бъде измерено“ (Макс Планк).
Информацията, която получаваме в резултат на измерване, може да се съдържа в обекта на измерване в две форми: пасивна илиактивен. Пасивната информация е набор от информация, съдържаща се в това как е подреден даден обект; такава е например информацията, съдържаща се в снимка или перфокарта, както и стойността на съпротивлението на резистора. От друга страна, информацията е активна, когато има формата на енергийна характеристика на определено явление. Такива информационни енергийни явления се наричат сигнали. Примери за сигнали са електрическите, оптичните и акустичните явления, използвани за предаване на информация.
По-нататък ще разгледаме активните и пасивните обекти на измерване в най-общия възможен вид. Нямаме достъп до пасивна информация, докато не бъде преобразувана в активна форма. За да направите това, е необходим някакъв източник на енергия (осветяване на снимка, преминаване на електрически ток през измервания резистор). С помощта на енергията на този източник наличната пасивна информация в обекта на измерване се преобразува в електрически явления; пасивната информация става активна (светлината се отразява от снимката; токът, протичащ през резистора, предизвиква появата на напрежение върху него).
За извършване на измервания с "пасивни" обекти (т.е. в случай, че измервателната информация, която трябва да се получи, се съдържа в обекта в пасивна форма), е необходим външен източник на енергия, който да възбуди или активира съответните пасивни свойства на този обект. Този възбудител въздейства върху обекта на измерване, който от своя страна му реагира по един или друг начин. Ако въздействието е известно, тогава, за да разберете свойствата на обекта, е необходимо само да измерите реакцията. Всъщност отговорът съдържа активна информация както за измервания обект, така и за въздействието. Ако въздействието не еИзвестно е, че за да се извлече тази част от пасивната информация, която се активира от дадено въздействие, е необходимо да се измери както реакцията, така и самото въздействие.
Да предположим, че с помощта на технически средства, използвани за измерване, тоест с помощта на измервателна система, можем да определим съотношението на две физически величини, при условие че те имат една и съща физическа размерност. Въпреки това въздействието и реакцията не винаги трябва да имат едно и също физическо измерение. Следователно се нуждаем от стандарт, който се характеризира с точно известна връзка между въздействие и реакция. Стандартът ни дава възможност да правим измервания с "пасивен" обект, както е показано на фиг. За "активен" обект (т.е. в случая, когато информацията, която трябва да се получи за измервания обект, е активна), разбира се, не е необходим възбудител; но отново се нуждаем от стандарт, за да измерим това или онова съотношение за даден обект. Такъв стандарт трябва да дава добре познат сигнал със същото измерение като измерения сигнал.
3. Измервателни уреди в електрическите измервания
Продължавайки обсъждането на общите въпроси за измерване на физически величини, обсъдени в предишната глава, сега ще се съсредоточим върху измервателните инструменти (системи и подсистеми, както и компоненти), често използвани в електрически измервания. Естеството на тези устройства зависи от целта, която искаме да постигнем чрез измерването.
Списък с възможни цели:
Изследване. Целта на изследването е да разширим нашето разбиране за различни видове естествени и изкуствени физически състояния и явления. Следователно, при екологични проучвания, измервателните системи обикновено трябва да могат да измерват в широк диапазон отдиапазон с отлична линейност и добра динамична реакция.
Измерване на консумативни количества. Измерванията на потока се извършват предимно за количествено определяне и записване на измерена или абсорбирана стойност. Да вземем например електромер (kWh метър) във всеки дом или електронна везна в магазин. Най-важният аспект за този вид приложение е точността на измерването, тъй като потребителят трябва да плати правилно получената сума. Следователно редовното калибриране на оборудването често е законово изискване.
Безопасност. Често се правят измервания, за да се гарантира безопасността на хората и околната среда, като например измерване на нивото на радиация или концентрацията на токсични вещества в, да речем, питейната вода. За тези системи за безопасност факторът надеждност е решаващ; системата винаги трябва да функционира в съответствие с техническите си спецификации. Ако въпреки това се случи инцидент, това не трябва да води до опасни ситуации; системата трябва да е надеждна.
Калибриране. Тук целта на измерването е да се определи дали продуктът отговаря на определени изисквания.
Това се прави дотолкова, доколкото електрическият сигнал може лесно да се преобразува в почти всяка желана форма. Разнообразието от налични електронни операции ни позволява да реализираме необходимата обработка на сигнала бързо и евтино.
Има няколко причини за бързото развитие на електронната обработка на сигнали. На първо място, с помощта на електронни схеми усилването на сигнала е много лесно за изпълнение. Процесът на усилване увеличава мощността на сигнала без значителна загуба на информация. Следователно, използвайки електронно оборудване, може да се получи висока чувствителност. Например,Фотоумножителят улеснява постигането на текущия фактор на усилване.
Второ, използването на електроника позволява извършването на измервания с минимално въздействие върху обекта на измерване. Например, мощността, взета от течност при измерване на pH с електрометричен усилвател, е по-малка от 10' 15 W.
В допълнение, електронните вериги са безшумни, защото нямат движещи се части, не са износени и имат относително ниска консумация на енергия.
Вероятно едно от най-значимите предимства на електронните схеми е скоростта, с която те могат да обработват бързо протичащ феномен, което се дължи на липсата на движещи се части, които имат инерция. Дори събития, възникващи в рамките на 100 ps, могат да бъдат открити. Честотният диапазон на електронните схеми може да надхвърли 10 GHz.
В допълнение, електронната обработка на сигнали има значителна гъвкавост; почти без ограничение, можете да внедрите множество функции и да ги комбинирате, за да създадете по-сложни функции. Информацията от измерванията се предава лесно на големи разстояния (телеметрия) в широка честотна лента и с много ниска чувствителност към смущения.
Електронните устройства обаче все още имат своите недостатъци: обработката на сигнали с висока мощност е невъзможна (за това са необходими хидравлични сигнали), надеждността на оборудването често е по-ниска от изискваната и накрая, то е изключително чувствително към външни влияния като температура, влажност, радиация и др.
4. Електронни измервателни системи
Има много методи за измерване на честотата на електрически сигнал. Един от тях е резонансният метод, който преди това се използваше в честотни броячи, съдържащи набор от пръти, които вибрираха под въздействието на входен сигнал. Пръчките са лекоразлични резонансни честоти. Честотата на входния сигнал се приема приблизително равна на резонансната честота на пръта с най-висока амплитуда на вибрациите. Този метод на измерване беше използван за определяне на честотата на линията на спомагателни генератори за променлив ток.
Друг метод за измерване на честотата се основава на преобразуване на честотата в напрежение. Тук входният сигнал първо се преобразува в правоъгълен сигнал. Нарастващият фронт на правоъгълната вълна задейства чакащия мултивибратор, който генерира тесен импулс, синхронизиран с входния сигнал с фиксирана амплитуда и продължителност. След това тези импулси преминават през нискочестотен филтър и тяхната средна стойност (постоянна компонента) се показва от стрелка. Обхватът на този тип преобразувател честота към напрежение е приблизително две десетилетия. При високи честоти той е ограничен от времето на нарастване на квадратната вълна, както и от времената на нарастване и спадане на изчакващите мултивибраторни импулси. При ниските честоти ограничението се дължи на нискочестотния филтър. Честотата на срязване на този филтър трябва да е достатъчно ниска, за да минимизира пулсациите в изходния сигнал към показалеца. Тези вълни са резултат от непълно филтриране на импулсното напрежение. За да могат да се измерват ниските честоти, граничната честота на филтъра трябва да бъде намалена и това прави реакцията на системата много инерционна.
Преобразувателят от времеви домейн към напрежение няма последния недостатък. Този преобразувател произвежда напрежение, пропорционално на времето между две последователни преминавания през нулата на входния сигнал.