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 производственных измерительных систем (ИС). В первой части пособия представлены современные подходы к синхронизации проводимых измерений, оценке влияния
программного обеспечения ИС на результаты измерений, проблемам достоверной 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 стандартизации автоматизированных измерительных систем / В. А. Захаров, А. С. Волегов ; [под общ. ред. В. А. Захарова] ; М-во науки
и высш. образования Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. – Екатеринбург : 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 защиты жизни и здоровья граждан, охраны окружающей среды, обеспечения обороны и безопасности государства, требуют единства
проводимых измерений, при котором результаты измерений выражены в допущенных к применению в Российской Федерации единицах величин, а показатели точности измерений не выходят за установленные границы.

Современное развитие измерительной техники в связи с повы
шенными требованиями к достоверности, быстродействию, автоматизации и полноте контроля характеристик объекта измерений
характеризуется широким внедрением автоматизированных измерительных систем. Такие системы позволяют решать задачи, недоступные традиционным средствам измерений, и представляют собой совокупность средств измерительной техники, размещенных
в разных точках объекта измерения и функционально объединенных 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 организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых 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 материала, и рассматриваются структура, принципы построения и вопросы
стандартизации наиболее распространенных в промышленности
измерительных систем (ИС), которые можно назвать «производственными» ИС. Термин «производственные» средства измерений (СИ)
предложен в [2] для обозначения рабочих СИ, используемых в про

мышленности для обеспечения заданных характеристик технологических процессов, контроля качества и количества произведенной продукции и т. п. ИС являются разновидностью СИ. Поэтому
и среди ИС можно выделить «производственные» системы, к которым, в частности, относятся ИС, используемые для измерения и контроля параметров технологических процессов, объемов производства и распределения энергоресурсов, технического и коммерческого учета электрической и тепловой энергии в стране.

В первой части пособия рассматриваются основные понятия

метрологии, включая современные подходы к совместному использованию понятий «погрешность измерения» и «неопределенность
измерения». Анализируются структурные и конструктивные особенности цифровых ИС, современные методы синхронизации проводимых измерений с использованием глобальных навигационных
спутниковых систем, методы оценки влияния программного обеспечения ИС на результаты измерений, проблемы достоверной передачи измерительной информации в измерительных каналах производственных ИС.

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по про
граммам бакалавриата и магистратуры по направлению подготовки «Стандартизация и метрология» и может быть полезно специалистам, занимающимся созданием, эксплуатацией и метрологическим 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 потребностями практики. С развитием промышленного производства растут
требования к проведению измерений, т. е. развивается метрология. Современные определения основных понятий метрологии зафиксированы 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 величины, которые могут быть обоснованно приписаны измеряемой
величине. При этом величина есть свойство материального объекта
или явления, общее в качественном отношении для многих объектов 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 областей измерений: механические, электрические, магнитные, тепловые
и др. Часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин, определяет вид
измерений. Например, в области электрических и магнитных измерений могут быть выделены как виды измерений: измерения электрического 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 средства 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 кото
ром 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 одно
временно 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 складывались, при этом общая индуктивность L01 = L1 + L2 + 2M, где М –
взаимоиндуктивность между катушками. Затем катушки соединяются так, чтобы их магнитные поля вычитались. В этом случае

общая индуктивность L02 = L1 + L2 – 2M. Значения L01 и L02 получают с помощью прямых измерений. Решение уравнений для L01 и L02
позволяет найти искомую однородную величину М с помощью соотношения

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 различных 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 измерительного эксперимента, которые влияют на результат измерения (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. Весьма велика вероятность грубой ошибки – промаха.