Измерения в физике. §1 Физические измерения. Виды измерений Метод непосредственной оценки

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах для измерения силы, давления, угловых перемещений и т.д. Чувствительный элемент подвергают физическому воздействию. При помощи компьютера организуют электроколебательный процесс путем воздействия на формирователь электрического сигнала, соединенный с чувствительным элементом, сигналом компьютера, осуществляя периодическую компенсацию электрического параметра чувствительного элемента. В результате электроколебательного процесса формируется сигнал, частота которого определяется измеряемой величиной. Техническим результатом применения предлагаемого технического решения является обеспечение независимости результатов измерений от параметров формирователя электрического сигнала и повышение точности измерений. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах для измерения силы, давления, углового перемещения и других физических величин.

Известен способ измерения перемещения, заключающийся в том, что из входного напряжения при помощи емкостных датчиков формируют два напряжения, разность между которыми характеризует перемещение, причем входное напряжение формируют в виде разности между опорным напряжением и напряжением, сформированным из выходных напряжений емкостных датчиков .

Устройство для осуществления известного способа содержит источник опорного напряжения, генератор импульсов, выход которого соединен со входом электронного ключа, емкостный датчик, две диодно-резисторные цепи, включенные между выходом генератора и входами фильтров, выходы которых соединены со входами первого сумматора, второй сумматор, входы которого подключены к выходу первого сумматора и к источнику опорного напряжения, а выход подключен к шине питания электронного ключа и к выходу устройства, причем емкостный датчик подключен к средней точке соединения диода и резистора первой диодно-резисторной цепи .

Недостатком известного технического решения является невысокая точность измерений ввиду того, что на результат измерений влияют параметры диодно-резисторных цепей и других аналоговых элементов схемы.

Наиболее близким к предложенному является способ измерения физической величины, заключающийся в том, что подвергают физическому воздействию чувствительный элемент, формируют, используя электрический параметр чувствительного элемента, периодический электроколебательный процесс, в результате чего получают электрическое напряжение, частота которого определяется измеряемой величиной, путем преобразования уровня этого напряжения формируют электрический сигнал, который подают на вход аудиоадаптера компьютера, конфигурация которого соответствует спецификации Multimedia Personal Computer, и далее определяют значение измеряемой величины путем программной обработки этого сигнала с использованием информации о передаточных характеристиках чувствительного элемента и формирователя электроколебательного процесса .

Устройство для осуществления этого способа и наиболее близкое к предложенному содержит компьютер, конфигурация которого соответствует спецификации Multimedia Personal Computer, чувствительный элемент, соединенный с ним формирователь переменного электрического напряжения, содержащий частотозадающие элементы, дополнительный преобразователь уровня напряжения, выход которого является выходом формирователя и соединен со входом аудиоадаптера компьютера, причем частотозадающие элементы формирователя имеют параметры, обеспечивающие частоту информационно-значимых составляющих частотного спектра его выходного напряжения в пределах, удовлетворяющих параметрам входа аудиоадаптера компьютера во всем диапазоне измерения физической величины. Дополнительный преобразователь уровня выполнен в виде оптоэлектронных, согласованных между собой, приемника и передатчика или в виде трансформатора .

Недостатком известного технического решения является невысокая точность измерения физической величины, вызванная отсутствием компенсации нестабильности передаточных характеристик и параметров частотозадающих элементов формирователя переменного электрического напряжения. В частности, температурные и временные изменения коэффициента передачи формирователя, а также его частотозадающей емкости или индуктивности приводят к погрешности измерений, которая при обработке сигнала в компьютере не может быть скомпенсирована.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности измерений физической величины за счет обеспечения независимости полученного результата измерений от параметров формирователя переменного электрического напряжения.

В способе измерения физической величины, заключающемся в том, что подвергают физическому воздействию чувствительный элемент, организуют периодический электроколебательный процесс, используя электрический параметр чувствительного элемента, в результате чего формируют электрический сигнал, частота которого определяется измеряемой величиной, а также осуществляют программную обработку этого сигнала с использованием информации о передаточных характеристиках чувствительного элемента, решение поставленной задачи достигается тем, что указанный электроколебательный процесс организуют при помощи компьютера или микроконтроллера, для чего формируют дополнительный выходной сигнал компьютера или микроконтроллера и воздействуют этим сигналом на формирователь электрического сигнала.

При воздействии выходным сигналом компьютера или микроконтроллера на формирователь электрического сигнала могут осуществлять компенсацию электрического параметра чувствительного элемента, изменяющегося под воздействием измеряемой физической величины.

Для достижения поставленной цели в предложенном способе измерения возможна организация двух или более периодических электроколебательных процессов и формирование в результате этого двух или более электрических сигналов, частоты которых определяются измеряемой величиной, а также осуществление программной обработки двух и более сигналов и формирование нескольких дополнительных выходных сигналов компьютера или микроконтроллера и воздействие этими сигналами на формирователи электрических сигналов.

В устройстве для осуществления предложенного способа измерения физической величины, содержащем компьютер или микроконтроллер, чувствительный элемент и соединенный с ним формирователь электрического сигнала, выход которого соединен со входом компьютера или микроконтроллера, решение поставленной задачи достигается тем, что формирователь электрического сигнала содержит интегратор, а указанный компьютер или микроконтроллер снабжается дополнительным выходом, который соединяется с дополнительным входом формирователя электрического сигнала, предназначенным для организации электроколебательного процесса с использованием электрического параметра чувствительного элемента при помощи указанного компьютера или микроконтроллера.

Формирователь электрического сигнала может иметь два или более выходов и дополнительных входов, соединенных соответственно со входами и дополнительными выходами компьютера или микроконтроллера.

Реализация в измерителе физической величины указанных отличительных признаков заявленного технического решения обеспечивает независимость результатов измерения физической величины от параметров формирователя электрического сигнала и благодаря этому позволяет получить технический результат - повышение точности измерений.

На фиг.1 приведен пример устройства, реализующего предложенный способ измерения, на фиг.2 - временная диаграмма его работы.

Устройство для измерения физической величины содержит чувствительный элемент 1, соединенный с ним формирователь электрического сигналов 2, выход или выходы которого соединены со входом компьютера или микроконтроллера 3. Компьютер или микроконтроллер 3 снабжается одним или несколькими дополнительным выходами 4 (4"), которые соединяются с дополнительными входами 5 (5") формирователя электрических сигналов 2.

Чувствительный элемент 1 может быть выполнен, в частности, в виде полумоста или моста из тензорезисторов или магниторезисторов 6-9. Формирователь электрических сигналов 2 в общем случае имеет многоканальное исполнение. Каждый канал формирователя может содержать интегратор, реализованный на операционном усилителе 10 (10"), конденсаторе 11 (11’) и резисторе 12 (12").

В качестве микроконтроллера может быть использован, в частности, однокристальный микроконтроллер PIC16C505 фирмы Microchip.

Поясним суть предложенного способа измерения на примере работы реализующего его устройства.

Измеряемая физическая величина, например давление или сила, воздействуют на чувствительный элемент 1. Если этот элемент выполнен в виде тензомоста, то воздействие давления или силы приводят к изменению напряжения на каждой половине моста и, соответственно, напряжения на диагонали моста.

При измерении линейного или углового положения на чувствительный элемент 1 воздействуют, в частности, магнитным полем, а элементы моста 6 - 9 выполняют из магниторезисторов. В этом случае выходное напряжение полумоста или моста также определяется значением измеряемой физической величины. Зависимость этого напряжения Ul, U1" (см.фиг.1) заранее известна и определяется характеристикой чувствительного элемента 1

U1=F(A); U1"=F"(A), (1)

где U1, U1" - входные напряжения каждого полумоста (выходные напряжения чувствительного элемента 1);

А - значение измеряемой физической величины;

F, F" - передаточные характеристики каждого полумоста чувствительного элемента 1.

Каждый канал формирования электрического сигнала работает следующим образом.

Напряжение U1 с выхода полумоста чувствительного элемента 1 поступает на вход операционного усилителя 10, включенного по схеме интегратора. Если напряжение на выходе операционного усилителя U2 и, соответственно, на входе компьютера 3 мало (см. фиг.2), то компьютер 3 на своем дополнительном выходе 4 формирует низкий уровень напряжения U3 (см. фиг.2). Напряжение на выходе операционного усилителя 10 при этом начинает возрастать с постоянной времени, определяемой конденсатором 11 и резистором 12.

Компьютер или микроконтроллер 3 в фиксированные моменты времени, показанные на оси времени на фиг.2 символами "х", производит опрос своего входного сигнала U2 (выходного напряжения операционного усилителя 10). Если это напряжение не превышает пороговый уровень Uo, компьютер или микроконтроллер 3 сохраняет низкий уровень потенциала на своем дополнительном выходе 4.

К стабильности порогового уровня Uo особых требований не предъявляется. Поэтому этот уровень может быть задан триггером Шмидта, которые обычно устанавливаются на цифровых входах компьютеров и микроконтроллеров.

В момент времени t1 напряжение U2 достигает уровня Uo. Компьютер или микроконтроллер 3 выявляет это в момент времени t2 и устанавливает на своем дополнительном выходе, а следовательно, и на дополнительном входе формирователя 2 напряжение фиксированной амплитуды Ео. Это напряжение удерживается компьютером или микроконтроллером в течение фиксированного интервала времени То и далее вновь становится равным нулю.

За время действия напряжения U3, превышающего по величине выходное напряжение чувствительного элемента 1, происходит понижение выходного напряжения операционного усилителя 10. После этого под действием выходного напряжения чувствительного элемента 1 напряжение на выходе операционного усилителя 10 U2 вновь начинает повышаться и далее процессы в схеме повторяются.

Таким образом, в устройстве с участием компьютера дли микроконтроллера организуется электроколебательный процесс. Скорость нарастания напряжения на выходе формирователя электрических сигналов U2 определяется выходным напряжением (электрическим параметром) U1 чувствительного элемента 1 и, соответственно, значением измеряемой физической величины.

Из изложенного описания работы устройства следует, что средние значения напряжений U1 и U3 всегда равны, т.е. компьютер (микроконтроллер) в процессе воздействия на формирователь электрического сигнала осуществляет компенсацию напряжения U1 - электрического параметра чувствительного элемента, изменяющегося под воздействием измеряемой физической величины.

Поэтому частота сигнала на дополнительном выходе 4 компьютера или микроконтроллера 3 определяется выражением

и не зависит от параметров формирователя (интегратора) электрического сигнала 2.

Изменение емкости конденсатора 11, сопротивления резистора 12, порогового уровня напряжения Uo или смещения уровня выходного напряжения операционного усилителя 10 приводят только к изменению амплитуды и размаха пилообразного напряжения U2, но не влияют на частоту f.

Параметры То и Ео в отличие от коэффициента передачи какого-либо формирователя и параметров частотозадающих элементов легко стабилизировать. В частности, значение интервала времени То определяется встроенным кварцевым генератором компьютера или микроконтроллера и его нестабильность близка к нулю. Значение амплитуды Ео также легко стабилизировать с высокой степенью точности путем применения, например, прецизионных ограничителей напряжения, выполненных на микросхемах (КР142ЕН19 и т.п.).

Если чувствительный элемент выполнен по полной мостовой схеме, то одновременно с формированием периодического электрического сигнала по напряжению U1 осуществляют одновременное и независимое формирование второго периодического сигнала по напряжению U1’. В результате этого получают частоту

f’=U1’Ео/То. (3)

Результирующая оценка значения физической величины при этом может производиться по разности частот

f-f’=(U1-U1")Eo/To. (4)

Компьютер или микроконтроллер 3 кроме организации одного (при полумостовой схеме чувствительного элемента 1) или нескольких (при мостовой схеме) колебательных процессов осуществляет программную обработку сигналов с использованием информации о передаточных характеристиках чувствительного элемента и определяет значение измеренной физической величины.

Это выполняется следующим образом.

Компьютер или микроконтроллер 3, используя формулу (2) или (4) и контролируя значение частоты на своем дополнительном выходе или разности частот на дополнительных выходах, определяет выходной электрический параметр чувствительного элемента, в частности напряжение или разность напряжений

U1-fTo/Eo или U1-U1"=(f-f)To/Eo. (5)

Из изложенного следует, что в предложенном техническом решении путем организации колебательных процессов с участием компьютера или микроконтроллера обеспечивается независимость результатов измерения физической величины от параметров формирователя электрического сигнала. Благодаря этому достигается необходимый технический результат - повышение точности измерений.

Источники информации

1. Авт. св. СССР № 1026081 А, МПК 3 G 01 R 27/26, 1993.

2. Патент России № 2110770, МПК 6 G 01 D 3/02, 1998.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ измерения физической величины, заключающийся в том, что подвергают физическому воздействию чувствительный элемент, организуют периодический электроколебательный процесс, используя электрический параметр чувствительного элемента, в результате чего формируют электрический сигнал, частота которого определяется измеряемой величиной, а также осуществляют программную обработку этого сигнала с использованием информации о передаточных характеристиках чувствительного элемента, отличающийся тем, что указанный электроколебательный процесс организуют при помощи компьютера или микроконтроллера, для чего формируют дополнительный выходной сигнал указанного компьютера или микроконтроллера и воздействуют этим сигналом на формирователь электрического сигнала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при воздействии выходным сигналом указанного компьютера или микроконтроллера на формирователь электрического сигнала осуществляют компенсацию электрического параметра чувствительного элемента, изменяющегося под воздействием измеряемой физической величины.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что формируют два или более периодических электроколебательных процесса, используя электрические параметры чувствительного элемента, в результате чего получают два или более электрических сигнала, частоты которых определяются измеряемой величиной, осуществляют программную обработку этих сигналов, а электроколебательные процессы организуют при помощи указанного компьютера или микроконтроллера, для чего формируют дополнительные выходные сигналы указанного компьютера или микроконтроллера и воздействуют этими сигналами на формирователи электрических сигналов.

4. Устройство для измерения физической величины, содержащее компьютер или микроконтроллер, чувствительный элемент и соединенный с ним формирователь электрического сигнала, выход которого соединен со входом указанного компьютера или микроконтроллера, отличающееся тем, что формирователь электрического сигнала содержит интегратор, а указанный компьютер или микроконтроллер содержит дополнительный выход, соединенный с дополнительным входом формирователя электрического сигнала, предназначенным для организации электроколебательного процесса с использованием электрического параметра чувствительного элемента при помощи указанного компьютера или микроконтроллера.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что формирователь электрического сигнала имеет два или более выходов и дополнительных входов, соединенных соответственно со входами и дополнительными выходами указанного компьютера или микроконтроллера.

Представление о физической величине является полным только тогда, когда она измерена. Потребность в измерении ФВ возникла на ранней стадии познания природы и возрастала по мере развития и усложнения производственной и научной деятельности человека. Требования к точности измерения ФВ постоянно возрастают.

Измерить физическую величину – значит сравнить ее с однородной величиной, условно принятой за единицу измерения.

Измерить неизвестную физическую величину можно двумя способами:

а) Прямым измерением называют измерение, при котором значение ФВ определяют непосредственно из опыта. К прямым измерениям относятся, например, измерение массы с помощью весов, температуры – термометром, длины – масштабной линейкой.

б) Косвенным измерением называют измерение, при котором искомое значение ФВ находят путем прямого измерения других ФВ на основании известной зависимости между ними. Косвенным измерением является, например, определение плотности ρ вещества путем прямых измерений объема V и массы m тела.

Конкретные реализации одной и той же ФВ называются однородными величинами. Например, расстояние между зрачками ваших глаз и высота Останкинской башни есть конкретные реализации одной и той же ФВ – длины и поэтому они являются однородными величинами. Масса сотового телефона и масса атомного ледокола также однородные физические величины.

Однородные ФВ отличаются друг от друга размером. Размер ФВ – это количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию «физическая величина». Размеры однородных физических величин различных объектов можно сравнивать между собой.

Подчеркнем существенное отличие физических величин от единиц их измерения . Если измеренное значение ФВ отвечает на вопрос «сколько?», то единица измерения отвечает на вопрос «чего?». Некоторые единицы измерения удается воспроизвести в виде каких-то тел или образцов (гири, линейки и т.п.). Такие образцы называются мерами . Меры, выполненные с наивысшей достижимой в настоящее время точностью, называются эталонами .

Значением физической величины является оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Основными единицами измерения называют произвольные единицы измерения для немногих величин (независимых друг от друга), с которыми все остальные находятся в определенной связи. Следует различать истинное и действительное значения физической величины.

Истинное значение ФВ – это идеальное значение ФВ, существующее объективно независимо от человека и методов его измерения. Однако истинное значение ФВ нам, как правило, неизвестно. И узнать его можно лишь приблизительно с определенной точностью путем измерения.

Действительное значение ФВ – есть значение, найденное экспериментальным путем – измерением. Степень приближения действительного значения ФВ к истинному зависит от совершенства применяемых технических средств измерения.

Измерения ФВ основываются на различных физических явлениях. Например, для измерения температуры используется тепловое расширение тел, для измерения массы тел взвешиванием – явление тяготения и т.д. Совокупность физических явлений, на которых основаны измерения, называют принципом измерения .

К средствам измерения относятся меры, измерительные приборы и др.

Измерительный прибор – это средство измерения, предназначенное для формирования сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия человеком. К измерительным приборам относятся амперметр, динамометр, линейка, весы, манометр и др.

Кроме основных физических величин в физике существуют производные физические величины, которые можно выразить через основные. Для этого необходимо ввести два понятия: размерность производной величины и определяющее уравнение. Производные единицы получаются из основных при помощи уравнений связи между соответствующими величинами.

Чувствительность измерительных приборов – Измерительные приборы характеризуются чувствительностью . Чувствительность измерительного прибора равна отношению линейного (Dl) или углового (Da) перемещения указателя сигнала по шкале прибора к вызвавшему его изменению DX измеряемой величины X. Чувствительность определяет минимальное измеряемое значение ФВ с помощью данного прибора.

Измерением называют совокупность действий, выполняемых с помощью специальных средств, с целью нахождения численных значений измеряемой величины в принятых единицах измерения.

Целью измерения является получение значения физической величины, характеризующей контролируемый объект. Существует множество видов измерений (рис. 1.1).

С помощью измерения сопоставляют измеряемую величину с. единицей измерения, т. е. если имеется некоторая физическая величина Х, а принятая для нее единица измерения Щ, то значение физической величины определяется как

где q - числовое значение физической величины в приняты единицах измерения.

Данное уравнение называют основным уравнением измерений.

Например, за единицу измерения напряжения U электрического тока принят один вольт . Тогда значение напряжения электрической сети U = q [U] = 220 = 220 В, т. е. числовое значение напряжения 220.

Если за единицу напряжения U принят один киловольт , а 1 В = 10 кВ, то U = q [U] = 220 = 0,22 кВ. Числовое значение напряжения будет 0,22.

Еще одно важное понятие - измерительное преобразование, под которым понимают установление однозначного соответствия между размерами двух величин: преобразуемой (входной) и преобразованной в результате измерения (выходной).

Множество размеров входной величины, которая преобразуется с помощью технического устройства, называют диапазоном преобразований.

В зависимости от видов физических величин измерительные преобразования делятся на три группы.

Первая группа представляет собой величины, которые определяют отношения: «слабее - сильнее», «мягче - тверже», «холоднее - теплее» и др. Такой величиной является, например, скорость ветра. Их называют отношениями порядка или отношениями эквивалентности.

Ко второй группе относятся величины, для которых отношения порядка определяются не только между значениями величин, но и их диапазоном, т. е. разностью значений крайних величин. Например, разность диапазона температур от плюс 5 до плюс 10 "С и разность диапазона температур от плюс 20 до плюс 25 "С равны. В данном случае отношение порядка величин плюс 25 "С теплее, чем плюс 10 "С, а отношение порядка разности крайних значений первых величин соответствует разности крайних значений вторых величин. В обоих случаях отношение порядка однозначно определяется с помощью измерительного преобразователя, например, жидкостного термометра, и температура может быть отнесена к измерительным преобразованиям.

Третья группа характеризуется тем, что с величинами возможно выполнение операций, подобных сложению и вычитанию (свойство активности). Например, такая физическая величина, как масса: два предмета каждый массой 0 5 кг, поставленные на одну чашу рычажных весов, на другой чаше уравновешиваются гирей массой 1 кг.

Измеряемая величина может быть независимой, зависимой и внешней.

Независимая величина изменяется только под действием исполнителя работ (например, угол открытия дроссельной заслонки карбюратора при испытании двигателя).

Зависимая величина - это величина, которая изменяется при изменении независимых переменных (например, скорость движения автомобиля при изменении угла открытия дроссельной заслонки карбюратора).

Внешняя величина - это величина, характеризующая влияние внешних факторов на результаты измерений при выполнении измерительных работ, но не контролируемая человеком, выполняющим эти измерения (например, скорость встречного ветра при определении скорости движения автомобиля).

Эталоном единицы величины называют средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы величины и передачи ее размера другим средствам измерений данной величины.

Физические величины

Физические величины делятся на геометрические, кинематические, динамические и пр.

К геометрически величинам относятся линейный размер объем, угол.

К кинематическими величинам относятся скорость, ускореннее, частота вращения.

К динамическим - масса, расход какого-либо вещества, давление и т. д.

К другим величинам можно отнести время, температуру, цвет освещенность.

Измерение физических величин, заключается в сопоставлении какой - либо величины с однородной величиной, принятой за единицу. В метрологии используется термин "измерение", под которым понимается нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Измерение, выполняемые с помощью специальных технических средств, называют инструментальными. Простейшим примером таких измерений является определение размера детали линейкой с делениями, то есть сравнение размера детали с единицей длины, хранимой линейкой.

Производным от термина "измерение" является термин "измерять", широко используемый на практике. Встречаются термины "мерить", "обмерять", "замерять", но применение их в метрологии недопустимо.

Для упорядочения измерительной деятельности измерения классифицируют по следующим признакам:

Общим приемам получения результатов - прямые, косвенные, совместимые, совокупные;

Числу измерений в серии – однократные и многократные;

Метрологическому назначению – технические, метрологические;

Характеристике точности – равноточные и неравноточные;

Отношению к изменению измеряемой величины – статистические и динамические;

Выражению результата измерений – абсолютные и относительные;

Прямые измерения - измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных (измерения массы на весах, температуры термометров, длины с помощью линейных мер). При прямых измерениях объект исследования приводят во взаимодействие со средствами измерений и по показаниям последнего отсчитывают значение измеряемой величины. Иногда показания прибора умножают на коэффициент, вводят соответствующие поправки и т. д. Эти измерения можно записать в виде уравнения: Х = С · Х П,

где Х – значение измеряемой величины в принятых для нее единицах;

С – цена деления шкалы или единичного показания цифрового отсчетного устройства в единицах измеряемой величины;

Х П – отсчет по индикаторному устройству в делениях шкалы.

Косвенные измерения- измерения, при которых искомое значение находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, полученными прямыми измерениями (определение плотности однородного тела по его массе и геометрическим размерам, удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения). В общем случае эту зависимость можно представить в виде функции Х = (X1,X2,....,Xn), в которой значение аргументов Х1, Х2, ….,Хn находят в результате прямых, а иногда косвенных, совместных или совокупных измерений.

Например, плотность однородного твердого тела ρ находят как отношение массы m к его объему V , а массу и объем тела измеряют непосредственно: ρ=m/V.

Для повышения точности измерений плотности ρ измерения массы m и объема V производят многократно. В этом случае плотность тела

ρ = m/V , m – результат измерения массы тела, m = 1/n Σ m i ;

V=ΣVi/n - результат измерения объема тела Π.

Совокупные измерения- измерения нескольких однородных величин, при которых искомое значение величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин (измерения при которых масса отдельных гирь набора находятся по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь).

Совместные измерения- одновременные измерения двух или нескольких разноименных величин для нахождения зависимости между ними (проводимые одновременно измерения приращения длины образца в зависимости от изменений его температуры и определения коэффициента линейного расширения).

Совместные и совокупные измерения по способам нахождения искомых значений измеряемых величин очень близки. Отличие же состоит в том, что при сово­купных измерениях одновременно измеряют несколько одноименных величин, а при совместных - разноименных. Значения измеряемых величин х1, ..., хп определяют на основании совокупных уравнений;

F1 (X1, ..., Хm, Х11, ... , Х1n);

F2 (X1, ..., Хm, Х21, ... , Х1n);

Fn (X1, ..., Хm, Хk1, ... , Хkn),

где Х11, Х21, ……………..Хk n - величины, намеряемые прямыми методами.

Совместные измерения основываются на известных уравнениях, отражающих существующие в природе связи между свойствами объектов, т.е. между величинами.

Абсолютные измерения- измерения, основанные на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и использовании физических констант.

Относительные измерения- получение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или изменение величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

Однократные измерения- измерение, выполняемое один раз (измерение конкретного времени по часам).

Многократные измерения- измерения одной и той же физической величины, результат которых получают из нескольких следующих друг за другом измерений. Обычно многократными измерениями считаются те, которые производятся свыше трех раз.

Технические измерения- измерения, выполняемые при помощи рабочих средств измерений с целью контроля и управления научными экспериментами, контроля параметров изделий и т.д. (измерение давления воздуха в автомобильной камере).

Метрологические измерения - измерения при помощи эталонов и образцовых средств измерений с целью нововведения единиц физических величин или передачи их размеров рабочим средствам измерений.

Равноточные измерения- ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности сред­ствами измерений в одних и тех же условиях.

Неравноточные измерения- ряд измере­ний какой-либо величины, выполненных различными по точности с средствами измерений и в разных условиях.

Статические измерения- измерения фи­зической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения (измерения размера детали при нормальной темпера­туре).

Динамические измерения- измерения фи­зической величины, размер которой изменяется с течением време­ни (измерения расстояния до уровня земли со снижающегося само­лета) .

Средства измерений

Средства измерений - это технические сред­ства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метро­логические свойства. От средств измерений зависит правильное определение значе­ния измеряемой величины в процессе ее измерений. К средствам измерений относят: меры: измерительные приборы, измерительные установки, измерительные системы.

Мера - средство измерений, предназначенное для воспроиз­ведения физической величины заданного размера (гиря - мера массы, генератор - мера частоты электрических колебаний). Меры, в свою очередь, подразделяют на однозначные и много­значные.

Однозначная мера- мера, воспроизводящая фи­зическую величину одного размера (плоскопараллельная концевая мера длины, нормальный элемент, конденсатор постоянной емкости),

многозначная мера- мера, воспроизводящая Ряд одноименных физических величин различного размера (линейка: миллиметровыми делениями, конденсатор переменной емкости).

Набор мер - специально подобранный комплект мер, применяемых не только по отдельности, но и в различных соче­таниях с целью воспроизведения Ряда одноименных величин различ­ного размера (набор гирь, набор плоскопараллельных концевых мер длины).

Измерительный прибор средство изме­рений, предназначенное для выработки сигнала измерительной ин­формации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Результаты измерений выдаются отсчетными устрой­ствами приборов, которые могут быть шкальными, цифровыми и регистрирующими.

Шкальные отсчетные устройства состоят из шкалы, представля­ющей собой совокупность отметок и чисел, изображающих ряд пос­ледовательных значений измеряемой величины, и указателя (стре­лки, электронного луча и других), связанного с подвижной систе­мой прибора.

Отметки шкалы с представленными числовыми значениями называ­ют числовыми отметками шкалы. Основные характеристики шкалы - длина деления шкалы, выражающаяся расстоянием между осями двух соседних штрихов шкалы, и цена деления шкалы, представ­ляющая значение измеряемой величины, вызывающей перемещение указателя на одно деление.

Принято также выделять понятия: диапазон измерений и диапа­зон показаний.

Диапазон измерений представляет собой часть диапазона пока­заний, для которого нормированы пределы допускаемых погрешно­стей средств измерений. Наименьшее и наибольшее значения диапа­зона измерений называют соответственно нижним и верхним преде­лами измерений.

Значение величины, определяемое по отсчетному устройству средства измерений и выраженное в принятых единицах этой вели­чины, называют показанием средства измерений.

Измеренное значение определяется или путем умножения количе­ства делений шкалы на цену деления шкалы или умножением число­вого значения, считанного по шкале, на постоянную шкалы.

В настоящее время широкое распространение имеют либо механи­ческие, либо световые цифровые отсчетные устройства.

Регистрирующие отсчетные устройства состоят из пишущего или печатного механизма и ленты. Простейшее пишущее устройство пре­дставляет собой перо, заполненное чернилами, фиксирующее резу­льтат измерения на бумажной ленте. В более сложных устройствах запись результата измерений может проводиться световым или электронным лучом, перемещение которого зависит от значений измеряемых величин.

Союз Советскик

Социалистических

Республик с присоединением заявки М (23) Приоритет

G 01 R 17/02, Государственный комитет

СССР по делам изобретеиий и открытий

В.Е. Попов

Физико-технический институт низких температур

АН Украинской ССР (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования при реализации автоматического отображения величины влияющего на преобразователь физического параметра — температуры, давления, силы, освещенности и т.п., а также величины сопротивления преобразователя.

Известно устройство для измерения физических величин, в частности сопротивления датчика деформации (тензодатчика), выполненное на основе резистивного первичного преобразователя и двух источников тока, 15 включенных в основную и вспомогательную электрические цепи (1g .

Процедура определения величины деформации с помощью известного устройства предполагает построение для 20 каждого тенэодатчика градуировочного графика деформации как функции величины изменения сопротивления датчика. Измеряемый физический параметр находят иэ соответствующего графика, 2э поэтому общее время определения параметра оказывается значительным. Кроме того, известное устройство не может быть использовано для автоматического измерения абсолютной вели- эО чины сопротивления датчика, что требуется, например, в случае выполнения термометра сопротивления., Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для измерения физических величин, содержащее реэистивный первичный преобразователь с тремя выводами,первый иэ которых соединен с одной из выходных клемм источника тока, вторичный прибор, резисторы (2).

Основной недостаток указанного устройства связан с тем, что оно может с достаточной точностью отображать измеряемую физическую величину лишь в том случае, если градуировочная характеристика перви ного преобразователя линейна. Однако характеристики преобразователей многих физических величин, например температуры (термометры сопротивления и термисторы), освещенности (фоторезисторы) и др., являются нелинейными.

В случае измерения физической величины с помощью преобразователя с нелинейной характеристикой известное. устройство настраивается на воспроизведение линейной зависимости, оптимально аппроксимирующей реальную нелинейную зависимость. Показания вто789763 ричного прибора устройства при этом оказываются приближенными с точностью аппроксимации. Эта точность зависит от степени нелинейности характеристи ки преобразователя и от интервала изменений измеряемой величины.

Цель изобретения — повышение- точности измерительного устройства. .Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения физических величин, содержащее резистивный первичный преобразователь с тремя выводами, первый иэ которых соединен с одной из выхОдных клемм источника тока, вторичный прибор, резисторы, введены два полевых транзистора и три операционных усилителя, причем сток одного полевого транзис:тора непосредственно а сток другого полевого транзистора через первый из резисторов соединены со вторым и третьим выводами реэистив ного первичного преобразователя, истоки полевых транзисторов через второй и третий резисторы подключены к другой выходной клемме источника тока, входы первого операционного усилителя соединены со вторым и третьим выводами резистивного первичного преобразователя, а выход через четвертый резистор — с клеммой управления источника тока, инвертирующий вход второго операционного усилителя и неинвертирующий вход третьего операционного усилителя подключены к истоку одного полевого транзистора, а неинвертирующий вход второго операционного усилителя и инвертирующий вход третьего операционного усилителя соединены с истоком другого полевого транзистора, выходы второго и третьего операционных усилителей подключены к затворам полевых транзисторов, между стоками которых включен вторичный прибор.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства для измерения физических величин, например температуры (t),давления (P), силы (F) и т.п.

Устройство содержит источник 1 тока, резистивный первичный преобразователь 2, резистор 3 смещения, полевые транзисторы 4 и 5, вторичный прибор б, операционный усилитель 7, резистор 8 степени нелинейности, опор ные резистрры 9 и 10 и операционные усилители 11 и 12.

Устройство работает следующим образом.

Ток источника 1 разветвляется в трехпроводнрм реэистивном первичном преобразователе 2 на две части, про текающие через полевые транзисторы

4 и 5 и опорные резисторы 9 и 10.

Выходные напряжения операционных уси лителей 11 и 12, входы которых подключены к.опорным резисторам, про- . порциональны разности падений напряжений на них. Поскольку выходные на= пряжения операционных усилителей 11 и 12 управляют проводимостью полевых транзисторов 4 и 5 в противофазе с входными напряжениями, то два полевых транзистора 4 и 5 с опорными резисторами 9 и 10 и операционными усилителями 11 и 12 образуют систему, обеспечивающую автоматическое поддержание одинаковых падений напряжений

© на опорных резисторах 9 и 10. При одинаковых значениях сопротивлений опорных резисторов 9 и 10 зто соответствует одинаковым величинам токов, протекающих в цепях полевых транзисторов 4 и 5. 5 таким образом, обеспечивается протекание равных по величине токов в двух цепях резистивного первичного преобразователя 2. Схема деления тока, однажды настроенная, осуществля1 ет автоматическое деление тока произвольной (в известных пределах) величины на две строго равные части независимо от величины сопротивлений различных преобразователей и их соединительных проводов, подключаемых в зти цепи. При высоких коэффициентах усиления, реализуемых в операционных усилителях, токи в двух цепях одинаковы с точностью, с которой подобраны опорные резисторы, и не зависят от изменений напряжения питания и окружающей температуры.

К входам операционного усилителя

7 прилагается напряжение, пропорциональное сопротивлению преобразовате- ля 2. Выходное напряжение операционного усилителя 7 через реэистор 8 степени нелинейности воздействует на чувствительный вход источника 1 тока и, наряду с имеющимся в послед4Q нем токозадающим резистором,управляет величиной тока, отдаваемого источником в нагрузку. В связи с этим в предлагаемом устройстве измерительный ток (т.е. ток преобразователя)

4 является переменной величиной, зависящей от сопротивления первичного преобразователя 2, т.е. от измеряемой физической величины. Характер зависимости — ускорение или замедление роста измерительного тока (а с ним и выходного напряжения) с рос том сопротивления преобразователя

2 и его скорость (степень) — определяется фазой входного напряжения операционного усилителя 7, его коэффициентом усиления и величиной сопротивления резистора 8, предназначенного для регулировки степени нелинейности.

Осуществление укаэанной зависимости в устройстве приводит к тому,что величина измерительного тока 3 в цепях преобразователя 2 определяется законом о(" - Ю

t0 где до — начальная величина тока, соответствующая нулевому сопротивлению преобразователя;

К= > — коэффициент управления током;

Кдр — сопротивление первичного преобразователя 2

Выходное напряжение (на клеммах вторичного прибора 6) равно алгебраической сумме падений напряжения на сопротивлении преобразователя 2 и резисторе 3 смещения с сопротивлеием Ксм

0 = U + Ос.м J(Rpр+ Råì) (2)

Знак минус при Кс возникает в том случае, если для отображения конкретной характеристики преобразователя 2 резистор 3 смещения включает» ся во вспомогательную цепь преобразователя (такое включение резистора смещения показано на схеме пунктиром). Это имеет место,-например, при измерении с термометрами сопротивления температуры, выраженной в градусах Цельсия.

Подставляя в формулу (2) выражение для величины тока с учетом влияния управления, имеем ()з,x ("пР+-Ксм = о (" р (К Р+ см)) Полученное выражение (3) для выходного напряжения содержит член

К во второй степени, что свидетельствует о наличии нелинейной зависимости 0 ы от К„р или величины физического параметра от сопротивления преобразователя 2.

Принимая выражение (3) за аналитическую функцию, аппроксимирующую реальную нелинейную характеристику преобразователя 2, следует определить значения констант J k и К „, при которых реализуется наилучшее совпадение реальной кривой и аналитического выражения (3). Эти величины находят решением системы уравнений, получаемых подстановкой в выражение (3) нескольких пар значений физической величины и величины сопротивления преобразователя

2 из градуировочной кривой или таблицы. По найденным величинам констант производится затем аналитическая проверка на погрешность аппроксимации во всем рабочем интервале значений физической величины, При измерении физических величин с преобразователями, имеющими линейную градуировочную характеристику, величина измерительного тока является постоянной. Это достигается снятием управляющего сигнала с чувстви тельного входа источника 1 тока,например отключением резистора 8 степения нелинейности.

Формула изобретения

Устройство для измерения физических величин, содержащее резистивный первичный преобразователь с тремя выводами, первый из которых соединен с одной иэ выходных клемм источника тока, вторичный прибор, резисторы, 20 о т.л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, введены два полевых транзистора и три операционных усилителя, причем сток одного полезного транзистора непосредственно, а сток другого полевого транзистора через первый из резисторов соединены со вторым и третьим выводами резистивного первичного преобразователя, истоки полевых транзисторов через второй и третий резисторы подключены к другой выходной клемме источника тока, входы первого операционного усилителя соединены со вторым и третьим выводами резистивного первичного преобразователя, а выход через четвертый резистор †.с клеммой управления источника тока, инвертирующий вход второго операционного усилителя и неинвертирующий вход третьего операционного усилителя подклю- .