Основи вимірів
1. Основні принципи вимірів
Зміст цієї книги, присвяченої теорії вимірів та її додатків, можна розбити на три частини: загальний розділ (глава 1); розділ, у якому обмежимося вимірами фізичних величин (глава 2); та розділ, в якому предмет розгляду звужений ще більшою мірою до електричних та електронних вимірювань (глави 3 та 4). Останнє обмеження не є настільки сильним, як це може здатися; у наші дні більшість вимірювань здійснюється за допомогою електроніки, включаючи вимірювання величин, які самі по собі не є електричними. Для цього буває необхідно перетворити відповідну неелектричну величину на вимірювану електричну величину. Це перетворення здійснюється так званим датчиком (глава 3).
У цьому першому розділі ми звернемося до основ виміру, дамо визначення, що розуміють під виміром, і проллємо світло на цілі виміру. Потім під предмет розгляду буде підведено науковий фундамент (теорія вимірів) і, нарешті, ми вивчимо питання, чому вимір нефізичних величин виявляється таким важким.
Можливий робочий опис терміна «вимірювання», що відповідає нашій інтуїції, звучить так: «вимірювання — це отримання інформації». Одним із найбільш суттєвих аспектів вимірювання є збір інформації; вимірювання проводяться для того, щоб щось дізнатися про об'єкт вимірювання, тобто про величину, що вимірюється. Це означає, що результат вимірювання повинен описувати той стан або явище в навколишньому світі, яке ми вимірюємо. Між цим станом чи явищем та результатом виміру має існувати те чи інше співвідношення. Хоча отримання інформаціїОчевидно, воно є лише необхідним, але не достатнім для визначення виміру: коли хтось читає підручник, він накопичує інформацію, але не виконує виміру.
Нефізичні величини, які у нетехнічних областях, дуже важко, інколи ж неможливо виміряти, головним чином, через те, що є характеристиками дуже складних систем (люди, організації, суспільства тощо. буд.). Тому у випадку, коли маєш справу з нефізичними характеристиками, станами чи явищами в таких системах, кардинальні виміри виконуються дуже рідко.
2. Вимірювання фізичних величин
У наступних розділах ми обмежимося вивченням вимірювань фізичних характеристик, таких як механічні, магнітні та електричні величини. У цьому випадку під виміром розуміється послідовність операцій, що виконуються над фізичним об'єктом або системою (об'єкт вимірювання), згідно з встановленим та задокументованим правилом (методом, стратегією вимірювань) із застосуванням технічних засобів (вимірювальної системи) з метою визначення тих чи інших фізичних властивостей об'єкта або системи . Вимір можна також розглядати як здійснюване за допомогою технічних засобів отримання інформації (метричної та/або структурної) про фізичні стани або явища.
Інформація, накопичена людством упродовж століть, утворює в сукупності наше «уявлення» про світ. Це уявлення про світ, або його образ, знаходить своє відображення в гіпотезах, теоремах та законах природи. Тому виміри є джерелом нашого наукового знання. Іншими словами: "У фізиці існує тільки те, що можна виміряти" (Макс Планк).
Інформація, яку ми отримуємо в результаті вимірювання, може міститися в об'єкті вимірювання у двох формах: пасивної абоактивної. Пасивною інформацією називають сукупність відомостей, які у тому, як влаштований об'єкт; такою, наприклад, є інформація, що міститься у фотографії чи перфокарті, а також значення опору резистора. З іншого боку, інформація є активною, коли має форму енергетичної характеристики тієї чи іншої явища. Такі інформаційні енергетичні явища називають сигналами. Прикладами сигналів є електричні, оптичні та акустичні явища, що використовуються для передачі інформації.
Надалі ми розглядатимемо активні та пасивні об'єкти вимірювання у найзагальнішому вигляді, який тільки можливий. Ми не маємо доступу до пасивної інформації, доки вона не перетворена на активну форму. Для того, щоб зробити це, необхідне якесь джерело енергії (освітлення фотографії, пропускання електричного струму через резистор, що вимірюється). За допомогою енергії цього джерела пасивна інформація, що є в об'єкті вимірювання, відображається електричні явища; пасивна інформація стає активною (світло відбивається від фотографії; струм, що тече через резистор, викликає появу у ньому напруги).
Для проведення вимірювань з «пасивними» об'єктами (тобто у випадку, коли вимірювальна інформація, яку потрібно отримати, міститься в об'єкті в пасивній формі), необхідне зовнішнє джерело енергії, щоб порушити або активізувати відповідні пасивні властивості даного об'єкта. Цей збудник впливає на об'єкт вимірювання, який, у свою чергу, так чи інакше відгукується на нього. Якщо відомий вплив, то для того, щоб дізнатися про властивості об'єкта, потрібно лише виміряти відгук. Фактично відгук містить активну інформацію як про об'єкт, що вимірювається, так і про вплив. Якщо вплив невідомо, то для отримання тієї частини пасивної інформації, яка активізована даним впливом, необхідно здійснити вимірювання як відгуку, так і впливу.
Припустимо, що за допомогою технічних засобів, що використовуються для вимірювання, тобто за допомогою вимірювальної системи, ми можемо визначати відношення двох фізичних величин за умови, що вони мають одну і ту ж фізичну розмірність. Однак не завжди вплив та відгук обов'язково повинні мати однакову фізичну розмірність. Тому нам необхідний еталон, який характеризується точно відомим співвідношенням між впливом та відгуком. Еталон дає можливість проводити вимірювання з «пасивним» об'єктом, як показано на рис. Для «активного» об'єкта (тобто у разі, коли інформація, яку належить отримати про об'єкт, що вимірювається, активна) не потрібно, звичайно, збудник; однак знову нам потрібен еталон, щоб для даного об'єкта виміряти те чи інше ставлення. Такий еталон повинен давати добре відомий сигнал тієї ж розмірності, що і сигнал, що вимірюється.
3. Вимірювальні прилади в електричних вимірах
Продовжуючи обговорення загальних питань вимірювання фізичних величин, розглянутих у попередньому розділі, тепер ми сфокусуємо свою увагу на вимірювальних приладах (системах та підсистемах, а також компонентах), які часто використовуються в електричних вимірах. Характер цих пристроїв залежить від мети, яку хочемо досягти шляхом виміру.
Перелік можливих цілей:
Дослідження. Завданням проведення дослідження є розширення нашого розуміння різного роду природних та штучних фізичних станів та явищ. Тому при дослідженні навколишнього середовища вимірювальні системи зазвичай повинні бути здатні вимірювати в широкомудіапазоні з чудовою лінійністю та гарною динамічною характеристикою.
Вимірювання витрат, що витрачаються. Вимірювання витрати виконуються, перш за все, для кількісного визначення та реєстрації отриманої чи поглиненої величини. Візьмемо, наприклад, електричний лічильник (вимірник кВт год), що є у кожному будинку, чи електронні ваги у магазині. Найбільш важливим аспектом для такого роду застосувань є точність виміру, оскільки споживач повинен правильно розплатитися за отриману кількість. Тому регулярне калібрування обладнання часто є вимогою закону.
Безпека. Часто вимірювання робляться для забезпечення безпеки людей та навколишнього середовища, наприклад, вимірювання рівня радіації чи концентрації токсичних речовин, скажімо, у питній воді. Для цих систем безпеки вирішальним є фактор надійності; система завжди має функціонувати відповідно до її технічних характеристик. Якщо, однак, станеться аварія, це не повинно призводити до небезпечних ситуацій; система має бути надійною.
Калібрування. Тут метою вимірювання є визначення, чи відповідає продукція певним вимогам.
Це робиться остільки, оскільки електричний сигнал легко можна перетворити майже будь-яку бажану форму. Різноманітність наявних електронних операцій дозволяє нам швидко та недорого реалізувати необхідну обробку сигналу.
У розвитку електронної обробки сигналів є кілька причин. Насамперед, за допомогою електронних схем дуже легко реалізується посилення сигналу. У процесі посилення збільшується потужність сигналу без суттєвої втрати інформації. Тому, використовуючи електронне обладнання можна отримати високу чутливість. Наприклад,фотопомножувач дозволяє легко досягати коефіцієнта посилення струму.
По-друге, використання електроніки дає можливість проводити вимірювання з мінімальним впливом на об'єкт вимірювання. Наприклад, потужність, що відбирається з рідини при вимірюванні рН електрометричним підсилювачем, менше 10 15 Вт.
До того ж, електронні схеми безшумні, оскільки не мають частин, що рухаються, вільні від зносу і їм властиво відносно низьке споживання енергії.
Ймовірно, одним з найбільш значних переваг електронних схем є швидкість, з якою вони можуть обробляти явище, що швидко протікає, що пов'язане з відсутністю рухомих частин, що володіють інерцією. Можуть бути знайдені навіть події, що відбуваються протягом 100 пс. Частотний діапазон електронних схем може сягати вище 10 ГГц.
Крім того, електронна обробка сигналу має значну гнучкість; майже без обмежень можна реалізовувати численні функції та комбінувати їх до створення складніших функцій. Вимірювальна інформація легко передається на великі відстані (телеметрію) у широкій смузі частот і з дуже низькою чутливістю до перешкод.
Однак електронні прилади мають все-таки свої недоліки: неможлива обробка сигналів великої потужності (для цього потрібні гідравлічні сигнали), надійність апаратури часто нижча за потрібну і, нарешті, вона вкрай чутлива до таких зовнішніх впливів, як температура, вологість, радіація тощо. .
4. Електронні вимірювальні системи
Існує багато методів вимірювання частоти електричного сигналу. Один із них — резонансний метод, який застосовувався раніше в частотомірах, що містили набір стрижнів, що вібрували під впливом вхідного сигналу. Стрижні мають трохирозрізняються резонансні частоти. Частота вхідного сигналу приймається приблизно рівною резонансною частотою стрижня з найбільшою амплітудою вібрацій. Цей метод вимірювання застосовувався визначення лінійної частоти допоміжних силових генераторів змінної напруги.
Інший метод вимірювання частоти заснований на перетворенні частоти на напругу. Тут вхідний сигнал спочатку перетворять на сигнал прямокутної форми. Наростаючий фронт прямокутного коливання запускає мультивібратор, що чекає, який виробляє синхронізований з вхідним сигналом вузький імпульс з фіксованими амплітудою і тривалістю. Потім ці імпульси пропускаються через фільтр нижніх частот та їхнє середнє значення (постійна складова) індикується стрілочним приладом. Діапазон перетворювача частоти напруга такого типу становить приблизно дві декади. На високих частотах він обмежений часом наростання прямокутних коливань, а також часом наростання та спаду імпульсів мультивібратора, що чекає. На низьких частотах обмеження обумовлено фільтром нижніх частот. Частота зрізу цього фільтра має бути досить низькою, щоб мінімізувати пульсації вихідного сигналу, що надходить на стрілочний прилад. Ці пульсації є наслідком неповної фільтрації імпульсної напруги. Щоб мати можливість вимірювати низькі частоти, частота зрізу фільтра має бути зменшена, а це робить відгук системи дуже інерційним.
Перетворювач часового інтервалу в напругу не має останньої нестачі. Цей перетворювач створює напругу, пропорційну часу між двома послідовними проходженнями вхідного сигналу через нуль.