Метрологическое обеспечение измерительных систем : в 2 ч. Ч. 1. Принципы построения и вопросы стандартизации автоматизированных измерительных систем

Екатеринбург

Издательство Уральского университета

2018

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

В. А. Захаров, А. С. Волегов

МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Учебное пособие

В двух частях

Часть 1

Принципы построения и вопросы стандартизации

автоматизированных измерительных систем

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета

в качестве учебного пособия для студентов вуза,

обучающихся по направлению подготовки

27.03.01, 27.04.01 «Стандартизация и метрология»

УДК 006.9:681.518.3(075.8)
ББК 30.10-05я73
        З-38

Учебное пособие содержит базовые понятия метрологии и рассматрива-

ет структуру, принципы построения и вопросы стандартизации производствен-
ных измерительных систем (ИС). В первой части пособия представлены совре-
менные подходы к синхронизации проводимых измерений, оценке влияния
программного обеспечения ИС на результаты измерений, проблемам досто-
верной передачи измерительной информации.

Для студентов, обучающихся по программам бакалавриата и магистратуры,

может быть полезно специалистам, занимающимся созданием, эксплуатацией
и метрологическим обеспечением автоматизированных измерительных систем.

Захаров, В. А.

Метрологическое обеспечение измерительных систем : учеб.

пособие : в 2 ч. Ч. 1. Принципы построения и вопросы стандар-
тизации автоматизированных измерительных систем / В. А. Заха-
ров, А. С. Волегов ; [под общ. ред. В. А. Захарова] ; М-во науки
и высш. образования Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. – Екате-
ринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2018. – 168 с.

ISBN 978-5-7996-2448-4
ISBN 978-5-7996-2449-1 (часть 1)

З-38

ISBN 978-5-7996-2448-4
ISBN 978-5-7996-2449-1 (часть 1)

Под общей редакцией В. А. Захарова

Рецензенты:

секция научно-технического совета

Уральского научно-исследовательского института метрологии

(заместитель председателя секции А. А. Ахмеев);

Г. Л. Штрапенин, кандидат физико-математических наук,

доцент кафедры «Электрические машины»

Уральского государственного университета путей сообщения

УДК 006.9:681.518.3(075.8)
ББК 30.10-05я73

© Уральский федеральный университет, 2018

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ............................................................................................................ 6

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕТРОЛОГИИ ........ 8

1.1. Измерения .................................................................................................. 8

1.1.1. Прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения    9
1.1.2. Статические и динамические измерения ................................ 10
1.1.3. Однократные и многократные измерения ............................. 10
1.1.4. Классификация методов измерений ........................................ 11

1.2. Средства измерительной техники ........................................................ 13

1.2.1. Средства измерений ..................................................................... 13
1.2.2. Эталоны .......................................................................................... 15
1.2.3. Средства сравнения ...................................................................... 17
1.2.4. Измерительные принадлежности .............................................. 18
1.2.5. Измерительные установки ......................................................... 19
1.2.6. Измерительные системы ............................................................ 19

1.3. Единицы величин .................................................................................... 20
1.4. Погрешность и неопределенность результатов измерений .......... 26

1.4.1. Традиционный подход ................................................................ 26

1.4.1.1. Абсолютная и относительная погрешности ............. 27
1.4.1.2. Случайная и систематическая погрешности ............ 27
1.4.1.3. Инструментальные, методические

и субъективные погрешности ..................................... 32

1.4.1.4. Основные и дополнительные погрешности .............. 32

1.4.2. Модифицированный подход к оцениванию

показателей точности результатов измерений ...................... 33

1.4.3. Совместное использование понятий «погрешность»

и «неопределенность» измерения ........................................... 39

1.5. Нормируемые метрологические характеристики

средств измерений ................................................................................. 41
1.5.1. Характеристики, предназначенные

для определения результатов измерений ............................... 42

1.5.2. Метрологические характеристики СИ ..................................... 43

1.5.3. Характеристики чувствительности СИ .................................... 44
1.5.4. Неинформативные параметры выходного сигнала СИ ....... 45
1.5.5. Динамические характеристики СИ ........................................... 45

1.6. Формы выражения пределов допускаемых погрешностей

средств измерений ................................................................................. 46
1.6.1. Абсолютная погрешность ........................................................... 47
1.6.2. Приведенная погрешность ......................................................... 47
1.6.3. Относительная погрешность ..................................................... 48
1.6.4. Дополнительные погрешности .................................................. 48
1.6.5. Классы точности СИ .................................................................... 49

Глава 2. СТРУКТУРНЫЕ И КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ............................................................................. 51

2.1. Многоканальность измерительных систем ...................................... 51
2.2. Временная синхронизация пpоцессов измеpений ......................... 53

2.2.1. О важности синхронизации процессов измерений в ИС ..... 54
2.2.2. Основные методы синхронизации процессов

измерений в ИС ............................................................................ 56

2.2.3. Принципы функционирования

глобальной навигационной спутниковой системы .............. 58

2.3. Агрегатно-модульный принцип построения

измерительных систем .......................................................................... 60

2.4. ПЭВМ и прикладное программное обеспечение .......................... 65

2.4.1. Основные характеристики ПЭВМ ............................................. 66
2.4.2. Структура программного обеспечения ПЭВМ ..................... 67
2.4.3. Методы оценки влияния ПО

на метрологические характеристики СИ ................................ 68

2.5. Аппаратура и каналы связи измерительных систем ...................... 73

Глава 3. СТАНДАРТИЗАЦИЯ ВХОДНЫХ
И ВЫХОДНЫХ СИГНАЛОВ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ....................... 80

3.1. Основные проблемы передачи измерительной информации

в измерительных системах ................................................................... 80

3.2. Сигналы электрические непрерывные входные и выходные ....... 84
3.3. Сигналы электрические

с дискретным изменением параметров ............................................ 90

3.4. Пороговый приемник дискретных сигналов .................................... 93

Глава 4. СТАНДАРТИЗАЦИЯ ПРОТОКОЛОВ ОБМЕНА ............................ 104

4.1. Информационные характеристики дискретного сообщения ....... 104
4.2. Базовая эталонная модель взаимосвязи открытых систем ........... 108

4.2.1. Физический уровень базовой эталонной модели ВОС ....... 112
4.2.2. Канальный уровень базовой эталонной модели ВОС ......... 118

4.3. Кодирование информации ................................................................... 119

4.3.1. Двоичное кодирование ............................................................... 119
4.3.2. Циклическое кодирование .......................................................... 121

4.4. Кодовое расстояние и помехозащищенность кода ......................... 130
4.5. Нормативные требования к достоверности

передаваемых данных ........................................................................... 135

Приложение. Пример оценки методической составляющей
погрешности измерения электрической энергии,
обусловленной цифровым алгоритмом обработки данных
статического счетчика электрической энергии,
в системе графического программирования LabVIEW ............................... 146

Библиографические ссылки .............................................................................. 163

ПРЕДИСЛОВИЕ

Потребности граждан и государства в получении достоверных

и сопоставимых результатов измерений, используемых в целях за-
щиты жизни и здоровья граждан, охраны окружающей среды, обес-
печения обороны и безопасности государства, требуют единства
проводимых измерений, при котором результаты измерений выра-
жены в допущенных к применению в Российской Федерации едини-
цах величин, а показатели точности измерений не выходят за уста-
новленные границы.

Современное развитие измерительной техники в связи с повы-

шенными требованиями к достоверности, быстродействию, авто-
матизации и полноте контроля характеристик объекта измерений
характеризуется широким внедрением автоматизированных изме-
рительных систем. Такие системы позволяют решать задачи, недо-
ступные традиционным средствам измерений, и представляют со-
бой совокупность средств измерительной техники, размещенных
в разных точках объекта измерения и функционально объединен-
ных в измерительные каналы, которые обеспечивают измерения
в реальном масштабе времени контролируемых характеристик
объекта измерений.

Проблемам метрологического обеспечения измерительных сис-

тем, включающим установление и применение научных и органи-
зационных основ, технических средств, правил и норм, необходи-
мых для достижения единства и требуемой точности измерений,
в последнее время уделяется значительное внимание.

В настоящем учебном пособии приводятся базовые понятия

метрологии, необходимые для понимания последующего материа-
ла, и рассматриваются структура, принципы построения и вопросы
стандартизации наиболее распространенных в промышленности
измерительных систем (ИС), которые можно назвать «производствен-
ными» ИС. Термин «производственные» средства измерений (СИ)
предложен в [2] для обозначения рабочих СИ, используемых в про-

мышленности для обеспечения заданных характеристик техноло-
гических процессов, контроля качества и количества произведен-
ной продукции и т. п. ИС являются разновидностью СИ. Поэтому
и среди ИС можно выделить «производственные» системы, к кото-
рым, в частности, относятся ИС, используемые для измерения и конт-
роля параметров технологических процессов, объемов производ-
ства и распределения энергоресурсов, технического и коммерчес-
кого учета электрической и тепловой энергии в стране.

В первой части пособия рассматриваются основные понятия

метрологии, включая современные подходы к совместному исполь-
зованию понятий «погрешность измерения» и «неопределенность
измерения». Анализируются структурные и конструктивные особен-
ности цифровых ИС, современные методы синхронизации прово-
димых измерений с использованием глобальных навигационных
спутниковых систем, методы оценки влияния программного обеспе-
чения ИС на результаты измерений, проблемы достоверной пере-
дачи измерительной информации в измерительных каналах произ-
водственных ИС.

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по про-

граммам бакалавриата и магистратуры по направлению подготов-
ки «Стандартизация и метрология» и может быть полезно специа-
листам, занимающимся созданием, эксплуатацией и метрологичес-
ким обеспечением автоматизированных измерительных систем.

Глава 1

ОСНОВНЫЕ  ПОНЯТИЯ  И  ОПРЕДЕЛЕНИЯ

МЕТРОЛОГИИ

М е т р о л о г и я  –  наука об измерениях, методах и сред-

ствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой
точности. Степень развития метрологии определяется потребнос-
тями практики. С развитием промышленного производства растут
требования к проведению измерений, т. е. развивается метроло-
гия. Современные определения основных понятий метрологии за-
фиксированы в [1] и используются в данной работе.

1.1. Измерения

В соответствии с [1] под  и з м е р е н и е м  понимают про-

цесс экспериментального получения одного или более значений ве-
личины, которые могут быть обоснованно приписаны измеряемой
величине. При этом величина есть свойство материального объекта
или явления, общее в качественном отношении для многих объек-
тов или явлений, но в количественном отношении индивидуальное
для каждого из них.

Совокупность измерений величин, свойственных какой-либо

области науки или техники и выделяющихся своей спецификой,
определяет область измерений. В частности, выделяют ряд облас-
тей измерений: механические, электрические, магнитные, тепловые
и др. Часть области измерений, имеющая свои особенности и отли-
чающаяся однородностью измеряемых величин, определяет вид
измерений. Например, в области электрических и магнитных изме-
рений могут быть выделены как виды измерений: измерения элек-
трического напряжения, магнитной индукции и др.

Измерения различают по:
 способу получения информации;
 количеству измерительной информации;

 характеру изменений измеряемой величины в процессе

измерений;

 используемому методу измерения.

1.1.1. Прямые, косвенные, совокупные
и совместные измерения
По способу получения информации измерения разделяют на

прямые, косвенные, совокупные и совместные.

П р я м о е  и з м е р е н и е – это измерение, при котором

искомое значение величины получают непосредственно от сред-
ства измерений. В качестве прямых измерений можно привести
следующие примеры: измерение силы тока амперметром, измерение 
массы на весах.

К о с в е н н о е  и з м е р е н и е  –  это измерение, при котором 
искомое значение величины определяют на основании результатов 
прямых измерений других величин, функционально связанных 
с искомой величиной. К косвенным измерениям можно отнести,
например, определение плотности  тела цилиндрической формы
по результатам прямых измерений массы m, высоты h и диаметра
цилиндра d, связанных с плотностью уравнением

2

4
.
m
d h
  

С о в о к у п н ы е  и з м е р е н и я   –  это проводимые одновременно 
измерения нескольких одноименных величин, при которых 
искомые значения величин определяют путем решения системы 
уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных 
сочетаниях. В качестве примера совокупных измерений
можно рассмотреть [2] один из применяемых методов измерения
взаимоиндуктивности индуктивно связанных катушек с индуктивностями 
L1 и L2, оказывающих влияние друг на друга через общий
для них магнитный поток. Для получения искомого результата сначала 
соединяют катушки так, чтобы их магнитные поля склады-
вались, при этом общая индуктивность L01 = L1 + L2 + 2M, где М –
взаимоиндуктивность между катушками. Затем катушки соеди-
няются так, чтобы их магнитные поля вычитались. В этом случае

общая индуктивность L02 = L1 + L2 – 2M. Значения L01 и L02 получа-
ют с помощью прямых измерений. Решение уравнений для L01 и L02
позволяет найти искомую однородную величину М с помощью со-
отношения

M = (L01 – L02)/4.

С о в м е с т н ы е  и з м е р е н и я  –  это проводимые одно-

временно измерения двух или нескольких неодноименных величин
для определения зависимости между ними. Например, измерение
температурного коэффициента сопротивления резистора R/t
по данным прямых измерений его сопротивления R(t) при различ-
ных температурах t:

1
2

1
2

( ) –
( ).
–

R t
R t
R
R

t
t
t
t








1.1.2. Статические и динамические измерения
По характеру изменений измеряемой величины измерения раз-

деляются на статические и динамические.

С т а т и ч е с к о е  и з м е р е н и е – это измерение вели-

чины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной
задачей неизменной на протяжении времени измерения.

Д и н а м и ч е с к о е  и з м е р е н и е  –  это измерение, при ко-

тором средства измерений используют в динамическом режиме,
т. е. при изменении условий (факторов) за время проведения из-
мерительного эксперимента, которые влияют на результат изме-
рения (оценку измеряемой величины).

1.1.3. Однократные и многократные измерения
По количеству получаемой измерительной информации разли-

чают однократные и многократные измерения.

О д н о к р а т н ы е  и з м е р е н и я  –  это измерения, при ко-

торых число измерений равняется числу измеряемых величин.
Если измеряется одна величина, то измерение проводится один
раз. Следует иметь в виду, что руководствоваться одним опытом
при измерении той или иной величины не всегда оправдано. Весь-
ма велика вероятность грубой ошибки – промаха.

М н о г о к р а т н ы е  и з м е р е н и я  –  это измерения,

при которых число измерений превышает число измеряемых вели-
чин. Многократные измерения проводят с целью уменьшения слу-
чайных составляющих погрешностей измерения.

1.1.4. Классификация методов измерений
По используемому методу измерения – совокупности приемов

сравнения измеряемой величины с ее единицей в процессе изме-
рений различают [2]:

м е т о д  н е п о с р е д с т в е н н о й  о ц е н к и  –  метод

измерений, при котором значение величины определяют непосредственно 
по отсчетному устройству измерительного прибора. Например, 
измерение напряжения вольтметром;

д и ф ф е р е н ц и а л ь н ы й  м е т о д  и з м е р е н и й

представляет собой метод, при котором измеряемая величина сравнивается 
с однородной величиной, имеющей известное значение,
воспроизводимое мерой. Пример реализации такого метода представлен 
на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Дифференциальный метод измерения

Е
П
V

R0

Rx

Вольтметр V включается с помощью переключателя П в цепь

с измеряемым сопротивлением Rх или в цепь с регулируемым потенциометром (
мерой) R0. При равенстве показаний вольтметра,
имеющих место при Rx = R0, регистрируется искомое значение Rx;

м е т о д  с р а в н е н и я  с  м е р о й,  при котором измеряемую 
величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. 
Например, измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием 
гирями (мерами массы с известными значениями);

м е т о д  и з м е р е н и я  д о п о л н е н и е м,  при котором

значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины 
с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала
их сумма, равная заранее заданному значению;

м е т о д  з а м е щ е н и я, при котором измеряемую величи-

ну замещают мерой с известным значением величины. Например,
измерение емкости конденсатора, включенного в колебательный кон-
тур. Путем изменения частоты напряжения, подаваемого на колеба-
тельный контур от измерительного генератора, можно добиться ре-
зонанса. После этого вместо конденсатора с неизвестной емкостью
в контур включается конденсатор с регулируемой известной ем-
костью (мера) и вновь проводится настройка контура в резонанс,
при котором неизвестная емкость равна емкости меры;

н у л е в о й  м е т о д,  при котором результирующий эффект

воздействия измеряемой величины и меры на средство сравнения
доводят до нуля. Характерным примером нулевого метода являет-
ся измерение активного сопротивления мостом постоянного тока
(рис. 1.2).

Рис. 1.2. Мостовая схема измерения сопротивления

Е
а

G

R3
Rx

R2
R1

b

Мостовая схема оказывается полностью уравновешенной (галь-

ванометр G показывает нуль), когда потенциалы точек «а» и «b»,
показанных на рисунке, совпадают. Указанное условие будет вы-
полнено, если падение напряжения UR1 на резисторе R1 и падение
напряжения UR2 на резисторе R2 равны между собой:

2
1

2
1

2
3
1

.
R
R

x

R
R
U
U
R
R
R
R






Из последнего уравнения получаем: R2(R1 + Rx) = R1(R2 + R3).

Окончательное выражение для значения Rx, обеспечивающего урав-
новешенность мостовой схемы, имеет вид: Rx = R1R3/R2.

1.2. Средства измерительной техники

Средства измерительной техники – обобщающее понятие,

охватывающее технические средства, специально предназначен-
ные для измерений. К средствам измерительной техники в соот-
ветствии с [1] относят средства измерений, эталоны, средства срав-
нения, измерительные принадлежности, измерительные установ-
ки, измерительные системы и др.

1.2.1. Средства измерений
Средство измерений (СИ) – это техническое средство, предна-

значенное для проведения измерений и имеющее нормированные
(установленные) метрологические характеристики. К средствам
измерений относятся меры, измерительные преобразователи, изме-
рительные приборы.

Меры
Мера физической величины – это СИ, которое воспроизводит

в процессе использования или постоянно хранит величины одного
или более данных родов с приписанными им значениями. Напри-
мер, эталонная гиря, эталонный резистор, линейная шкала (линейка),
концевая мера длины. Материальная мера может быть эталоном.

Меры, воспроизводящие физическую величину одного размера,

называются однозначными. Меры, воспроизводящие физическую