Конспект лекций учебной дисциплины профессионального цикла вариативной части гос впо по направлению подготовки бакалавра


ИЗМЕРЕНИЕ. ВИДЫ, МЕТОДЫ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ



страница3/8
Дата09.08.2019
Размер2.82 Mb.
#127573
ТипКонспект
1   2   3   4   5   6   7   8

4 ИЗМЕРЕНИЕ. ВИДЫ, МЕТОДЫ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ
4.1 Классификация и основные характеристики измерений
Измерение является важнейшим понятием в метрологии. Это организованное действие человека, выполняемое для количественного познания свойств физического объекта с помощью определения опытным путем значения какой-либо физической величины. Измерением также называют процесс сравнения ФВ с ФВ принятою и утвержденной органом, как эталон единицы.

Существует несколько видов измерений. При их классификации обычно исходят из характера зависимости измеряемой величины от времени, вида уравнения измерений, условий, определяющих точность результата измерений и способов выражения этих результатов.



По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения разделяются на

- статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени;

- динамические, в процессе которых измеряемая величина изменяется и является непостоянной во времени.

Статическими измерениями являются, например, измерения размеров тела, постоянного давления, динамическими - измерения пульсирующих давлений, вибраций.



По способу получения результатов измерений их разделяют на:

- прямые;

- косвенные;

- совокупные;

- совместные.

Прямые - это измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. Прямые измерения можно выразить формулой

(3)


где - искомое значение измеряемой величины, а - значение, непосредственно получаемое из опытных данных.

При прямых измерениях экспериментальным операциям подвергают измеряемую величину, которую сравнивают с мерой непосредственно или же с помощью измерительных приборов, градуированных в требуемых единицах. Примерами прямых измерений служат измерения длины тела линейкой, массы при помощи весов и др. Прямые измерения широко применяются в машиностроении, а также при контроле технологических процессов (измерение давления, температуры и др.).



Косвенные - это измерения, при которых искомую величину определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, т.е. измеряют не собственно определяемую величину, а другие, функционально с ней связанные.

Значение измеряемой величины находят путем вычисления по формуле , где - искомое значение косвенно измеряемой величины; - функциональная зависимость, которая заранее известна, - значения величин, измеренных прямым способом.

Примеры косвенных измерений: определение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров, нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения.

Косвенные измерения широко распространены в тех случаях, когда искомую величину невозможно или слишком сложно измерить непосредственно или когда прямое измерение дает менее точный результат. Роль их особенно велика при измерении величин, недоступных непосредственному экспериментальному сравнению, например размеров астрономического или внутриатомного порядка.



Совокупные - это производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомую определяют решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

Примером совокупных измерений является определение массы отдельных гирь набора (калибровка по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь).



Пример. Необходимо произвести калибровку разновеса, состоящего из гирь массой 1, 2, 2*, 5, 10 и 20 кг (звездочкой отмечена гиря, имеющая то же самое номинальное значение, но другое истинное). Калибровка состоит в определении массы каждой гири по одной образцовой гире, например по гире массой 1 кг. Для этого проведем измерения, меняя каждый раз комбинацию гирь (цифры показывают массу отдельных гирь, - обозначает массу образцовой гири в 1 кг):

и т.д.


Буквы означают грузики, которые приходится прибавлять или отнимать от массы гири, указанной в правой части уравнения, для уравновешивания весов. Решив эту систему уравнений, можно определить значение массы каждой гири.

Совместные - это производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимостей между ними.

В качестве примера можно назвать измерение электрического сопротивления при 200С и температурных коэффициентов измерительного резистора по данным прямых измерений его сопротивления при различных температурах.



По условиям, определяющим точность результата, измерения делятся на три класса:

1. Измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники. К ним относятся в первую очередь эталонные измерения, связанные с максимально возможной точностью воспроизведения установленных единиц физических величин, и, кроме того, измерения физических констант, прежде всего универсальных (например абсолютного значения ускорения свободного падения, гиромагнитного отношения протона и др.). К этому же классу относятся и некоторые специальные измерения, требующие высокой точности.

2. Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторого заданного значения. К ним относятся измерения, выполняемые лабораториями государственного надзора за внедрением и соблюдением стандартов и состоянием измерительной техники и заводскими измерительными лабораториями, которые гарантируют погрешность результата с определенной вероятностью, не превышающей некоторого, заранее заданного значения.

3. Технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений.

Примерами технических измерений являются измерения, выполняемые в процессе производства на машиностроительных предприятиях, на щитах распределительных устройств электрических станций и др.

По способу выражения результатов измерений различают абсолютные и относительные измерения.

Абсолютными называются измерения, которые основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или на использовании значений физических констант.

Примером абсолютных измерений может служить определение длины в метрах, силы электрического тока в амперах, ускорения свободного падения в метрах на секунду в квадрате.



Относительными называются измерения отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

В качестве примера относительных измерений можно привести измерение относительной влажности воздуха, определяемой как отношение количества водяных паров в 1 м3 воздуха к количеству водяных паров, которое насыщает 1 м3 воздуха при данной температуре.



Основными характеристиками измерений являются: принцип измерений, метод измерений, погрешность, точность, правильность и достоверность.

Принцип измерений - физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений. Например, измерение массы тела при помощи взвешивания с использованием силы тяжести, пропорциональной массе, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта.

Метод измерений - совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Средствами измерений являются используемые технические средства, имеющие нормированные метрологические свойства.

Погрешность измерений - разность между результатом измерения полученного при измерении X' и истинным Q значением измеряемой величины:
(4)
Данная погрешность будет являться абсолютной погрешностью ∆, которая выражается в единицах измеряемой величины, и она не характеризует точность измерения. Для оценки точности измерений необходимо вычислить относительную погрешность.

Относительная погрешность измерения это отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины (часто выраженное в процентах). Чем меньше относительная погрешность, тем выше точность измерений и на оборот.

Относительная погрешность рассчитывается по формуле:


*100% (5)
Погрешность вызывается несовершенством методов и средств измерений, непостоянством условий наблюдения, а также недостаточным опытом наблюдателя или особенностями его органов чувств.

Пример: Известны абсолютные погрешности результатов измерений двух разных напряжений: ∆1 = 5 В и ∆2 = 1В. на первый взгляд точность измерений в первом случае значительно ниже, чем во втором. Для объектной оценки точности измерений сопоставим значений абсолютных погрешностей с результатом измерений погрешностей: U1 = 250 В U2 = 25 В, т.е. вычисляя относительные погрешности:




5




*100 2%




1




*100 4%

1

250

2

25














Точность измерений в первом случае выше, чем во втором.

Точность измерений - это характеристика измерений, отражающая близость их результатов к истинному значению измеряемой величины.

Количественно точность можно выразить величиной, обратной модулю относительной погрешности:

(6)
Например, если погрешность измерений равна , то точность равна

Правильность измерения определяется как качество измерения, отражающее близость к нулю систематических погрешностей результатов (т.е. таких погрешностей, которые остаются постоянными или закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины). Правильность измерений зависит, в частности, от того, насколько действительный размер единицы, в которой выполнено измерение, отличается от ее истинного размера (по определению), т.е. от того, в какой степени были правильны (верны) средства измерений, использованные для данного вида измерений.

Важнейшей характеристикой качества измерений является их достоверность, которая характеризует доверие к результатам измерений и делит их на две категории: достоверные и недостоверные, в зависимости от того, известны или неизвестны вероятностные характеристики их отклонений от истинных значений соответствующих величин. Результаты измерений, достоверность которых неизвестна, не представляют ценности и в ряде случаев могут служить источником дезинформации.

Наличие погрешности ограничивает достоверность измерений, т.е. вносит ограничение в число достоверных значащих цифр числового значения измеряемой величины и определяет точность измерений.
4.2 Методы измерений
Метод измерения – это способ экспериментального определения значения физической величины, т. е. совокупность используемых при измерениях физических явлений и средств измерений.

Существуют разнообразные методы выполнения измерения с использованием мер. Все их можно условно свести в две больше группы:







МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ

Группа №1

Группа №2

Методы уравновешивания

Методы непосредственной оценки

-дифференциальный




-нулевой




-замещения




-совпадения




-противопоставления



Метод уравновешивания – в этом случае измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Точность измерения может быть выше, чем точность непосредственной оценки.

Рассмотрим основные методы уравновешивания, при которых измеряемая ФВ и мера ФВ одновременно воздействуют на средство измерения (СИ), при помощи которого производится уравновешивание эффекта действия измеряемой величины Х действием меры ФВ со значением обозначаемым N.

Дифференциальный метод. Реализуется путем подачи на один вход измерительной схемы сравнения (ИСС) измеряемой величины Х, а на второй вход через масштабный измерительный преобразователь (ИП) единицы ФВ N от меры М, однородный с измеряемой ФВ Х. На выходе ИСС выдается разность ∆Х = Х - Nк, где к – коэффициент преобразования масштабного преобразователя.
Рис.1

Значение сигнала на выходе ИСС, пропорциональоного ∆Х, измеряется показывающим прибором.

Погрешность дифференциального сравнения определяется погрешностью воспроизведения единицы ФВ мерой N, погрешностью коэффициента «к» и погрешностью прибора определяющего ∆Х.

Уравновешивание можно осуществлять, применяя регулируемую меру N или набор мер, суммарное значение ФВ у которых близко к значению Х. В последнем случае точность сравнения повышается, т.к. на нее перестает влиять параметр масштабного преобразователя.

Пример:

На схеме U0 = 9В – напряжение образцовой меры, ∆U = 1В - показания вольтметра класса точности γ = 1, измеряющего разность напряжений ∆U = Ux – Uo и имеющий верхний предел измерения Un = 1 В.


Нулевой метод метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой и образцовой величин на прибор измерения доводят до нуля. Это частичный случай дифференциального метода. При нулевом методе измерительная система сравнения приобретает функцию нуль-органа, задача которой фиксировать момент равенства. X=Nk, когда ∆Х=0.

Один из вариантов технического осуществления нулевого метода – метод совпадения, в данном методе измерение осуществляется мгновенно. Это достигается за счет аппаратурного усложнения измерительного эксперимента.


Рис.2

Для реализации метода совпадения используют многозначную меру с N мерами и соответственное число нуль-органов или ИСС. На первые входы всех N ИСС одновременно подают измеряемую ФВ Х, на каждые вторые входы ИСС – значение ФВ от соответствующей ей меры. Срабатывает та ИСС, у которой выполняется равенство измеряемой ФВ с ФВ, воспроизводимой какой-то конкретной мерой.



Метод замещения, при котором производится поочередное подключение на вход прибора измеряемой величины и известной величины, и по двум показаниям прибора оценивается значение измеряемой величины, а затем подбором известной величины добиваются, чтобы оба показания совпали. При этом методе может быть достигнута высокая точность измерений при высокой точности меры известной величины и высокой чувствительности прибора. Пример: точное измерение малого напряжения при помощи высокочувствительного гальванометра, к которому сначала подключают источник неизвестного напряжения и определяют отклонение указателя, а затем с помощью регулируемого источника известного напряжения добиваются того же отклонения указателя. При этом известное напряжение равно неизвестному.

Метод совпадения, при котором измеряют разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Пример: измерение частоты вращения детали с помощью мигающей лампы стробоскопа: наблюдая положение метки на вращающейся детали в моменты вспышек лампы, по известной частоте вспышек и смещению метки определяют частоту вращения детали.

Метод противопоставления, при котором измеряемая и воспроизводимая величина одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между величинами. Пример: измерение веса с помощью рычажных весов и набора гирь.

Далее рассмотрим метод непосредственной оценки, который относиться ко второй группе методов измерений.



Метод непосредственной оценки - заключается в определения значения физической величины по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. Например – измерение напряжения вольтметром.

Этот метод является наиболее распространенным, но его точность зависит от точности измерительного прибора.

Дифференциальный метод может перейти в метод непосредственной оценки, когда значение N=0. В этом случае значение ∆Х=Х.

Методом непосредственной оценки реализуется путем измерения с помощью СИ, которое на своем отсчетном устройстве выдает все значения измеряемой ФВ. Приборы, реализующие М.Н.О., могут быть аналоговыми стрелочными и цифровыми. При проведении измерительного эксперимента с помощью аналоговых приборов имеются измеряемая ФВ Х и измерительный прибор показывающий значение измеряемой ФВ. Эти значения прибор «запоминает» при помощи шкалы или механизма и в процессе дальнейшей эксплуатации «хранит» эти значения в своей «памяти». Т.О. при проведении измерения методом Н.О. происходит сравнение измеряемой величины Х с «заполненными» значениями единицы ФВ N. При проведений измерений методом совпадения происходит одновременно сравнение измеряемой ФВ с единицами ФВ.


4.3 Методики проведения измерений
Множество и многообразие измерительных процессов, необходимость поддерживания единообразия результатов измерения обусловили создание нормативных документов, методик, которые суживают область вариантов применяемых решений. Такие методики измерения является официальным правовыми документами, устанавливающими процедуру правильных измерений, результаты которых пригодны для включения в документы. Имеются 2 вида методик измерений – типовые и частные.

Типовые методики измерения устанавливают требования к компонентам, составным частям широкой номенклатуры измерений, объединяемых одним или несколькими существенными общими признаками.

В типовой методике рассматриваются возможные варианты методов и средств измерений, алгоритмы подготовки и проведения измерений, формы представления результатов измерения, точностные характеристики, требования к квалификации оператор и к технике безопасности. Типовые методики является руководящими материалами для метрологов, создающих частные методики.



Частные методики, доминирующие в авиации, создаются для контроля технологических процессов, определения качества продукции и для технического обслуживания объектов. Частные методики являются – руководящими материалом, используемым на рабочих местах операторами, наблюдателями и лицами, для которых измерения является не главной их деятельностью.

Методики особо точных и ответственных измерений аттестуются в метрологических институтах и ведомствах Госстандарта. Остальные методики аттестуются органами отраслевых и ведомственных метрологических служб [22].


5 СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ. ПОГРЕШНОСТИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ
5.1 Классификация средств измерений
Средство измерений техническое средство (или их комплекс), предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным в пределах установленной погрешности и в течение известного интервала времени.

По метрологическому назначению средства измерений подразделяются:

  • рабочие средства измерений, предназначенные для измерений физических величин, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измерений. РСИ являются самыми многочисленными и широко применяемыми. Примеры РСИ: электросчетчик - для измерения электрической энергии; теодолит – для измерения плоских углов; нутромер – для измерения малых длин (диаметров отверстий); термометр – для измерения температуры; измерительная система теплоэлектростанции, получающая получить измерительную информацию о ряде физических величин в разных энергоблоках;

  • образцовые средства измерений, предназначенные для обеспечения единства измерений в стране.

По стандартизации - на:

  • стандартизованные средства измерений, изготовленные в соответствии с требованиями государственного или отраслевого стандарта.

  • нестандартизованные средства измерений уникальные средства измерений, предназначенные для специальной измерительной задачи, в стандартизации требований к которому нет необходимости. Нестандартизованные средства измерений не подвергаются государственным испытаниям (поверкам), а подлежат метрологическим аттестациям.

По степени автоматизации на:

  • автоматические средства измерений, производящие в автоматическом режиме все операции, связанные с обработкой результатов измерений, их регистрацией, передачей данных или выработкой управляющего сигнала;

  • автоматизированные средства измерений, производящие в автоматическом режиме одну или часть измерительных операций;

  • неавтоматические средства измерений, не имеющие устройств для автоматического выполнения измерений и обработки их результатов (рулетка, теодолит и т. д.).

По конструктивному исполнению на:

  • меры

  • измерительные преобразователи;

  • измерительные приборы;

  • измерительные установки;

  • измерительно-информационные системы;

Мера средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Мера выступает в качестве носителя единицы физической величины и служит основой для измерений. Примеры мер: нормальный элемент – мера Э.Д.С. с номинальным напряжением 1В; кварцевый резонатор – мера частоты электрических колебаний.

Измерительный преобразователь средство измерений для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному наблюдению человеком (оператором). Часто используют термин первичный измерительный преобразователь или датчик.

Электрический датчик – это один или несколько измерительных преобразователей, объединенных в единую конструкцию и служащих для преобразования измеряемой неэлектрической величины в электрическую. Например: датчик давления, датчик температуры, датчик скорости и т. д.

Измерительный прибор средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия человеком (оператором).

Измерительная установка совокупность функционально объединенных средств измерений, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного наблюдения человеком и расположенная в одном месте. Измерительная установка может включать в себя меры, измерительные приборы и преобразователи, а также различные вспомогательные устройства.

Измерительно-информационная система - совокупность средств измерений, соединенных между собой каналами связи и предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления.
Каталог: jspui -> bitstream -> 123456789
123456789 -> Сборник материалов II международной научно-практической конференции 20 апреля 2016 г. Доннту: Донецк, 2016 эл версия русск яз
123456789 -> Распознавание речи и голосовое управление
123456789 -> Черникова О. Ю., Мозговой В. И
123456789 -> Анализ методов восстановления никель-кадмиевых аккумуляторов после потери емкости в процессе эксплуатации
123456789 -> Основы семейного права Украины
123456789 -> В. И. Желязко, Т. Д. Лагун мелиорация, рекультивация и охрана земель
123456789 -> Тема: Установление, восстановление и закрепление границ зе-мельных участков
123456789 -> Министерство сельского хозяйства
123456789 -> Приоритетная задача современного земледелия за-ключается в повышении эффективности и стабильности сельскохозяйственного производства


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8




База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2022
обратиться к администрации

    Главная страница