REFERAT ZALICZENIOWY

Z PODSTAW METROLOGII

TEMAT: Metody pomiarowe.

Podział metod pomiarowych.

Studia niestacjonarne

Rok III, semestr VI

Specjalność: Elektrotechnika przemysłowa i informatyka

Opracował

Adam Oziębała

Metody pomiarowe.

Podział metod.

Metoda pomiarowa określa sposób porównania wielkości mierzonej z wzorcem tej wielkości zastosowanym w pomiarach, celem wyznaczenia wyniku pomiaru. Sposób przeprowadzenia pomiaru i zbiór środków technicznych użyty w procesie pomiarowym charakteryzują metodę pomiarową. Przy omawianiu metod pomiarowych nie można pominąć definicji pomiaru, według norm pomiar to czynności doświadczalne mające na celu wyznaczenie wartości wielkości. Definicja ta jest bardzo ogólna i nie mówi jak należy go realizować.

Zasadę, na której oparty jest sposób przeprowadzenia pomiaru, nazywamy metodą pomiarową. Metoda pomiarowa jest to sposób postępowania przy porównaniu parametrów badanego zjawiska z wzorcem celem wyznaczenia wartości danej wielkości fizycznej.

Metody pomiarowe klasyfikuje się według różnych kryteriów. Najczęściej dzieli się je ze względu na sposób:

• uzyskiwania wyniku pomiaru

• porównywania dokonywanego w trakcie procesu pomiarowego

• przetwarzania sygnału pomiarowego.

DIAGRAM PODZIAŁU METOD POMIAROWYCH

Należy jednak pamiętać, że klasyfikacja ta nie jest sztywna, a jedynie umowna, ponieważ ten sam pomiar można zakwalifikować (w niektórych przypadkach) do różnych metod, nawet dla tego samego kryterium.

W zależności od sposobu otrzymania wartości wielkości mierzonej metody pomiarowe podzielić można na bezpośrednie i pośrednie.

• Metoda pomiarowa bezpośrednia - to metoda, dzięki której otrzymuje się bezpośrednio wartość wielkości mierzonej bez potrzeby wykonywania dodatkowych obliczeń opartych na zależności funkcjonalnej mierzonej wielkości do innych wielkości. Przykładami takich pomiarów jest pomiar napięcia woltomierzem, pomiar rezystancji omomierzem, pomiar częstotliwości częstościomierzem.

• Metoda pomiarowa pośrednia - polega na tym, że wartość wielkości mierzonej otrzymuje się pośrednio z pomiarów bezpośrednich innych wielkości związanych odpowiednio z wielkością mierzoną. Wynik pomiaru jest wtedy funkcją wielkości mierzonych. Przykładami pomiarów pośrednich jest pomiar rezystancji przez pomiar amperomierzem natężenia prądu płynącego przez rezystor i woltomierzem napięcia na rezystorze, pomiar energii elektrycznej na podstawie pomiarów napięcia, prądu i czasu, pomiar indukcyjności cewki przez pomiar napięcia i natężenia prądu przy przepływie prądu stałego i zmiennego.

Ze względu na sposób porównywania wyróżnia się metodę podstawową i kilka odmian metod porównawczych. Metody porównawcze dzieli się na trzy grupy, a mianowicie: metody bezpośredniego porównania, metody różnicowe i metody pośredniego porównania oraz wyodrębnia z metody zerowej metodę kompensacyjną i metodę komparacyjną.

• Metoda pomiarowa podstawowa - nazywana również metoda bezwzględną polega na pomiarach wielkości podstawowych wymienionych w definicji wielkości. Metoda ta jest też czasem nazywana metodą bezwzględną. Przykładem metody podstawowej jest pomiar wartości powierzchni prostokąta przez pomiar długości jego boków. W metodzie tej za podstawę przyjmuje się definicję pola powierzchni. Jest to więc metoda pośrednia. Natomiast w pomiarach wielkości podstawowych będzie to metoda bezpośrednia.

• Metoda pomiarowa porównawcza - polega na porównaniu wartości wielkości mierzonej z inna wartością tej samej wielkości lub też ze znaną wartością innej wielkości jako funkcji wielkości mierzonej. Pomiarem porównawczym, zgodnie z definicją, jest pomiar objętości cieczy za pomocą wzorca pojemności, a także pomiar ciśnienia za pomocą manometru.

• Metoda pomiarowa bezpośredniego porównania - polega na porównaniu całkowitej wartości wielkości mierzonej z wartością znaną tej samej wielkości, która w postaci wzorca wchodzi bezpośrednio do pomiaru. Pomiary długości za pomocą przymiaru kreskowego, objętości cieczy za pomocą pojemnika, masy za pomocą wagi przez zrównoważenie mierzonej masy ciała odpowiednią sumą mas odważników są przykładami metody bezpośredniego porównania. Należy dodać, że przykłady pierwszy i trzeci są ilustracją metody podstawowej, ponieważ długość i masa są wielkościami podstawowymi.

Odmianami metody bezpośredniego porównania są metody podstawiania i przestawiania

• Metoda przez podstawienie - Metoda pomiarowa przez podstawienie jest metodą porównania bezpośredniego. W układzie pomiarowym musi znajdować się wzorzec wielkości mierzonej o wartościach nastawianych w szerokich granicach. Podczas pomiaru wartość mierzoną X zastępuje się wartością wzorcową X_W , dobraną w taki sposób, aby skutki (np. odchylenia wskazówki miernika ) wywoływane przez obie wartości były takie same, z czego wynika zależność: X = X_W. Metoda przez podstawienie jest metodą bardzo dokładną, ponieważ praktycznie eliminuje błędy wprowadzone przez układ porównania. Po wielokrotnym powtórzeniu pomiaru i obliczeniu wartości średniej (zminimalizowaniu błędów przypadkowych) błąd wyniku pomiaru jest praktycznie równy błędowi dopuszczalnemu dla wzorca.

• Metoda przez przestawienie - jest odmianą metody bezpośredniego porównania i polega na zrównoważeniu wartości X wielkości mierzonej najpierw znaną wartością A₁ tej wielkości, następnie na podstawieniu wielkości mierzonej na miejsce A₁ i ponownym zrównoważeniu jej ze znaną wartością A₂ tej samej wielkości. Jeżeli wskazania przyrządu pomiarowego są jednakowe w obu przypadkach, to wartość wielkości mierzonej jest równa pierwiastkowi kwadratowemu z iloczynu A₁ i A₂ :

Na tej zasadzie oparta jest np. metoda podwójnego ważenia Gaussa

stosowana do pomiaru masy za pomocą wagi i odważników kontrolnych.

Często stosowaną ,zaliczana do metod porównawczych jest metoda pomiarowa odchyleniowa (nazywana również wychyleniową)

• Metoda pomiarowa odchyleniowa - zwana tez bezpośredniego odczytu lub . Wartość wielkości mierzonej określa się w niej na podstawie odchylenia wskazówki lub innego wskazania (np. cyfrowego) narzędzia pomiarowego. Odchylenie to jest miara wielkości mierzonej. Podczas pomiaru wzorzec wielkości mierzonej nie występuje bezpośrednio, natomiast przy produkcji narzędzia pomiarowego do odpowiedniego wykonania podziałki (wzorcowanie podziałki) został wykorzystany cały szereg wartości wzorcowych. Metoda ta jest najprostsza, najłatwiejsza w zastosowaniu, daje natychmiastowe wyniki, ale przy wykorzystaniu analogowych narzędzi pomiarowych jest stosunkowo mało dokładna. Dokładność metody znacznie zwiększyła się z chwila zastosowania bardzo dokładnych przyrządów cyfrowych. Niedokładność pomiaru wykonywanego ta metoda wynika głównie z istnienia dopuszczalnego błędu systematycznego narzędzia pomiarowego określonego jego klasą dokładności. Jest ona stosowana podczas pomiaru ciśnienia za pomocą manometru z elementem sprężystym, pomiaru masy za pomocą wagi uchylnej, a także napięcia woltomierzem z analogowym urządzeniem wskazującym W każdym z tych przykładów występuje niezgodność rodzaju wielkości mierzonej i wzorcowej cała wartość wielkości mierzonej jest wtedy przetwarzana w przyrządzie na wielkość tego samego rodzaju co wzorcowa, a następnie porównania.

Jedną z częściej stosowanych metod jest metoda pomiarowa różnicowa, która również posiada wiele odmian. Metody różnicowe dają wyniki tym dokładniejsze im mniejsza jest różnica między wielkością mierzoną a wzorcem.

• Metoda różnicowa - metoda różnicowa jest metodą porównawczą, przy której w układzie pomiarowym występuje wzorzec wielkości o wartości zbliżonej do wartości mierzonej (np. jednowartościowy wzorzec nienastawialny). W tym przypadku bezpośrednio mierzy się różnicę obu wartości, a wynik pomiaru określa się następująco:
  gdzie:
  - wartość wzorcowa,
  - zmierzona bezpośrednio różnica, z uwzględnieniem jej znaku. Różnicę tę wyznacza się metodą wychyłową. Ponieważ wartość wzorcowa jest zwykle określona z błędem pomijalnie małym, błąd pomiaru wartości X wynika z niedokładności bezpośredniego pomiaru różnicy
  . Przykładem tej metody może być pomiar za pomocą czujnika różnicy długości przedmiotu mierzonego i płytki wzorcowej.

• Metody zerowe - metody pomiarowe zerowe są najdokładniejszymi metodami porównania bezpośredniego. Porównanie wartości mierzonej z wartością wzorcową (lub z zespołem wartości wzorcowych) odbywa się w nich za pomocą układu pomiarowego, w którym przez zmianę parametrów elementów składowych doprowadza się do zaniku (do zera) napięcia lub prądu w kontrolowanej gałęzi układu. Czynność doprowadzania do zaniku tego napięcia lub prądu nazywa się równoważeniem układu, a wskaźnik służący do zaobserwowania tego stanu (np. galwanometr) nazywa się wskaźnikiem równowagi. Dokładność zerowych metod pomiaru jest bardzo duża, zależy od dokładności wykonania zastosowanych w układzie wzorców oraz od czułości wskaźnika równowagi. Zastosowanie bardzo dokładnych wzorców oraz zastosowanie wskaźnika równowagi o wysokiej czułości ogranicza błędy systematyczne metody do wartości pomijalnych wobec błędów przypadkowych. Podczas pomiarów dokładnych wykonuje się zwykle serię pomiarów i statystyczną obróbkę wyniku pomiaru. Metoda zerowa jest metodą różnicową, w której różnicę wartości wielkości mierzonej i znanej wartości tej samej wielkości z nią porównywanej sprowadza się do zera. Przykładem może być pomiar oporu elektrycznego za pomocą mostka Wheatstone'a i wskaźnika równowagi (metoda zerowa mostkowa). W pomiarach elektrycznych oraz pomiarach wielkości nieelektrycznych metodami elektrycznymi stosuje się dwie odmiany metody zerowej, a mianowicie metodę kompensacyjna i metodę komparacyjną.

• Metoda kompensacyjna - charakteryzuje się tym, że wielkości mierzonej przeciwstawia się wzorcową wielkość kompensującą tego samego rodzaju o znanej wartości, która kompensuje fizyczne działanie wielkości mierzonej na detektor. W stanie równowagi fizycznej działanie wielkości mierzonej i kompensującej są jednakowe i przeciwnie skierowane, dlatego następuje pełna kompensacja ich działania. Fizyczne działanie wielkości można kompensować tylko wtedy, gdy jej sygnał jest nośnikiem energii Jako przykład realizacji tej metody podaje się wagę równoramienną, w której następuje kompensacja momentów.

• Metoda komparacyjną - jest to metoda, której jedną lub obie porównywalne wielkości przetwarzamy tak, aby reprezentowały wielkości jednakowe, będące nośnikami energii a następnie je skompensujemy.

Jeszcze inna odmianą metody różnicowej jest metoda koincydencjalna

• Metoda koincydencjalna - polega ona na wyznaczaniu przez obserwację koincydencji pewnych wskazów lub sygnałów małej różnicy między wartością wielkości mierzonej i z nią porównywanej znanej wartości tej samej wielkości. Metodą tą mierzy się czas: obserwuje się koincydencję wzorcowych sygnałów czasu z sygnałami zegara porównawczego.

Ze względu na sposób przetwarzania sygnału pomiarowego rozróżnia się metodę analogową i cyfrową W metodzie analogowej wartość wielkości mierzonej, która zmienia się w sposób ciągły, odpowiada również wielkość wyjściowa (wskazanie) o ciągłych wartościach. W metodzie cyfrowej ciągłym przedziałom wartości wielkości mierzonej są przyporządkowane nieciągłe (dyskretne) przydziały wartości wielkości wyjściowej To znaczy, że wartości wyjściowe mają formę cyfrową, która składa się z całkowitej liczby kwantów Jeśli odbiorca wyniku jest obserwator, to stosowany jest dziesiętny system zapisu cyfr, jeśli maszyna cyfrowa - system kodowany dwójkowo. Gdy w układzie pomiarowym tylko urządzenie wskazujące pracuje cyfrowo, a proces pomiarowy przebiega analogowo, wówczas metoda taka nie może być uważana za w pełni cyfrową.

• Metoda przekształcania - polega na uformowaniu sygnału Y przez zmianę skali wielkości mierzonej X, zmianę rodzaju energii przenoszącej wielkość X lub też na drodze sterowania wielkością X procesami energetycznymi przenoszącymi sygnał Y.

• Metoda bezpośredniego porównania - polega na uformowaniu sygnału Y przez porównanie wielkości mierzonej X z wielkością wzorcową X_W. Sygnał Y przenosi informacje o wartości wielkości wzorcowej X_W odpowiadającej stanowi równowagi, a więc i o wartości wielkości mierzonej.

Dokładność metody pomiaru jest to, stopień zgodności wartości rzeczywistej ze średnią arytmetyczną wyników uzyskanych dla oznaczanej wielkości. Im dokładniejsza metoda pomiaru, tym uzyskiwane wyniki są bliższe wartości prawdziwej. W serii pomiarów o dużej dokładności tej samej wielkości fizycznej lub chemicznej większość wyników będzie zbliżona do wartości prawdziwej, a wyniki obarczone błędem przypadkowym będą rozrzucone po obu stronach wartości prawdziwej.

Dokładność metody pomiaru jest parametrem niezależnym od jej precyzji. Metoda może być mało precyzyjna, gdy uzyskane wyniki mają duży rozrzut, ale mimo to dokładna, jeżeli średnia tych wyników odpowiada wartości prawdziwej. Z kolei, gdy rozrzut wyników jest nieduży, ale ich średnia jest odległa od wartości prawdziwej, metoda jest precyzyjna, ale niedokładna.

Literatura:

Orzeszkowski Z.: Podstawy metrologii elektrycznej

R.Janiczek : Elektryczne miernictwo przemysłowe

S.Lebson : Podstawy miernictwa elektrycznego

Metody pomiarowe. Podział metod pomiarowych

- 6 -

KOMPARACYJNA

KOMPENSACYJNA

ZEROWA

PRZEKSZTAŁCANIA

BEZPOŚREDNIEGO

PORÓWNANIA

PODSTAWIENIOWA

RÓŻNICOWA

WYCHYŁOWA

POŚREDNIA

WG PRZETWARZANIA

SYGNAŁU CYFROWEGO

WG SPOSOBU

PORÓWNYWANIA WIELKOŚCI

BEZPOŚREDNIA

WG RODZAJU WIELKOŚCI

MIERZONEJ I PORÓWNYWANEJ

METODY

POMIAROWE

---