рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

МЕТРОЛОГИЯ

МЕТРОЛОГИЯ - раздел Приборостроение,   С.в. Бирюков, А.и. Чередов ...

 

С.В. Бирюков, А.И. Чередов

 

МЕТРОЛОГИЯ

 

Тексты лекций

 

Омск 2000

ББК 30.10 я 73 Б 64 Рецензенты:

МЕТРОЛОГИЯ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ В ОБЛАСТИ МЕТРОЛОГИИ

Метрология зародилась в глубокой древности и по словообразованию озна­чает учение о мерах. В первом русском труде по метрологии (Ф.И.Петрушевский.… Измеряемыми величи­нами, с которыми имеет дело метрология в настоящее время,… Метрология подразделяется на законодательную метрологию- раздел метрологии, включающий комплексы взаимосвязанных и…

Основные понятия и определения

Мет­рология является одной из областей науки и её роль за последние де­сятилетия чрезвычайно возросла. Метрология проникла и завоевала (или завоевывает) себе позиции во всех областях жизни и дея­тельности человечества. В силу этого обстоятельства метрологи­ческая терминология тесно соприкасается с терминологией каждой из «специальных сфер».

В нашей стране действует стандарт на терминологию ГОСТ 16263—70 «Государственная система обеспечения единства изме­рений. Метрология. Термины и определения» и закон об обеспечении единства измерений*, вводящий новые понятия и определения и уточняющий ранее действующие.

Далее в разделе рассматриваются некоторые основные поня­тия и относящиеся к ним термины и определения, нашедшие широ­кое применение и выходящее за рамки метрологии. Поэтому их рассмотрение нельзя отнести к какому-либо разделу метрологии. С другой стороны, многие из этих терминов именно в силу их ши­рокого распространения получают искаженное толкование, непра­вильно применяются или заменяются неправильными терминами. Не установив единства понимания и толкования таких общих терминов, практически невозможно излагать ни одного раздела метрологии.

 

Измерение. Измеряемые величины

Значение величины, найденное путем его измерения, называется результатом измере­ния. Значение величины, полученное при отдельном измерении,… В определение понятия метрологического обеспечения входит термин «единство… Этот термин позволяет обеспечить сопоставимость измерений, выпол­ненных в разное время, разными средствами и методами.…

Физическая величина. Единица физической величины

Индивидуальность в количественном отношении следует пони­мать в том смысле, что свойство может быть для одного объек­та в определенное число раз… Как правило, термин «величина» применяют в отношении свойств или их… В стандарте есть только термин «физическая величина», а сло­во «величина» дано как краткая форма основного термина,…

Системы единиц физических величин

В общем виде связь между производной величиной Z и основными мо­жет быть представлена следующим уравнением: Z = LaMbTgIeQhJl, где L, М, Т, I, Q, J — основные величины; a, b, g, e, h, l— показатели раз­мерности. Эта формула называется формулой…

Размер величины. Значение величины

Иногда возражают против широкого применения слова «размер», утверждая, что оно относится только к длине. Однако заметим, что каждое тело обладает… Часто в словосочетании «размер величины» слово «размер» опускают или за­меняют… В машиностроении широко применяют термин «размер», подразумевая под ним значение физической величины - длины,…

Размерность физических величин

Размерность физической величины обозначается dim A (от лат. dimension – размерность). Допустим, что физическая величина А связана с X, Y уравнением… Х = х×[Х]; Y = y×[Y]; A = а×[A], где А, X, Y - символы, обозначающие физическую вели­чину; а, х, y - числовые значения величин (безразмер­ные); [A];…

Измерительное преобразование

В некоторых случаях, когда нельзя непосредственно сравнить измеряемую величину с воспроизводимой единицей физической величины, используют измерительное преобразование. Это такой вид преобразования, при котором устанавливается однозначное соответствие между значениями двух величин (входной и выходной). Зависимость между этими величинами стремятся сделать линейной. Диапазон преобразования определяется множеством значений входной величины, подвергаемой преобразованию [1].

 

Вид измерений

Вид измерений - часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин. Например, в области электрических и магнитных измерений могут быть выделены как виды измерения электрического сопротивления, электродвижущей силы, электри­ческого напряжения, магнитной индукции и др.

 

Методы и средства измерений

Принцип измерений - это совокупность физических явлений, на которых основаны измерения. Например, измерение температуры с использованием… Конкретные методы измерений определяются видом измеряе­мых величин, их… Каждую физическую величину можно измерить несколькими методами, которые могут отличаться друг от друга особенностями…

Меры

Мера - средство измерений, предназначенное для воспроизве­дения

физической величины заданного размера.

Некоторые меры являются телами определенной формы, изго­товленными с необходимой тщательностью. Например, концевые меры длины, гири, измерительные колбы. Другие меры представ­ляют совокупность многих деталей с определенной взаимосвязью (нормальный элемент, измерительный конденсатор, генератор стандартных сигналов), но не это является характерным для мер и их роли в измерениях. Вспомним любой процесс измерения. Относительно редко сравнивают измеряемую величину с мерой, значение которой равно единице. На рычажных весах сравнивают массу взвешиваемого тела с массой гирь 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 5 кг. Следовательно, любая из этих гирь или их комбинация в процес­се измерения может стать исходной для определения измеряемой массы. Таким образом, мера воспроизводит величины, значения которых связаны с принятой единицей этой величины определен­ным, известным соотношением. Мера - это, как правило, основа измерений [4].

 

Эталоны единиц физических величин. Образцовые средства

Измерений

Эталон единицы физической величины выполняется по особой спецификации и официально утверждается в установленном по­рядке. При конкретном применении… В технике, науке и даже в художественной литературе слово «эталон»… Сам по себе термин «образцовое средство измерений» допу­скает двоечтение. Он может быть ошибочно понят как лучшее…

Точность измерений

Под точностью измерения понимают степень при­ближения результатов измерений к истинному значению измеряе­мой величины. Однако выражения вроде…  

Погрешность измерений

Выше было сказано, что на практике истинное значение изме­ряемой величины мы заменяем более близким к нему значением, более точным, чем полученное… Действительное значение изме­ряемой величины - это значение, найденное… Погрешность результата измерения может быть выражена в единицах измеряемой величины или в долях (или в процентах) ее…

Поверка средств измерений

Неправильно поверку средств измерений называть «проверкой», так как слово «проверка» имеет иной смысл. Например, можно проверять выполнение… Сличение средств измерений — разновидность поверки, при выполнении которой… Калибровка меры или набора мер - поверка совокупности однозначных мер или одной многозначной меры на различных…

ВИДЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Прежде чем разбираться в сущности каких-либо явлений, удобно их сначала упорядочить, т.е. классифицировать.

Измерения подразделяются на виды измерений – часть области измерений,

имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин, и методы измерений - часть области измерений, состоящая в различии приемов использования принципов и средств измерений.

 

Классификация видов измерений

Классификацию видов измерений можно проводить по различным классификационным признакам, к которым можно отнести следующие: способ нахождения численного значения физической величины, число наблюдений, характер зависимости измеряемой величины от времени, число измеряемых мгновенных значений в заданном интервале времени, условия, определяющие точность результатов, способ выражения результатов измерения (рис. 2.1) [7].

По способу нахождения численного значения физической величины измерения подразделяются на следующие виды: прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямым измерением называют измерение, при котором значение измеряемой физической величины находят непосредственно из опытных данных. Прямые измерения характеризуются тем, что эксперимент как процесс измерения производится над самой из­меряемом величиной, имея в виду то или

иное её проявление. Прямые измерения выполняются при помощи средств, предназначенных для измерения данных величин. Числовое значение измеряемой величины отсчитывается непосредственно по показанию измерительного прибора. средств, величин. Примеры прямых измерений: измерение тока ампер­метром; напряжения - компенсатором; массы - на рычажных весах и др.

Зависимость между измеряемой величиной X и результатом измерения Y при прямом измерении характеризуется уравнением X = Y, т.е. значение измеряемой величины принимается равным получен­ному результату.

К сожалению, прямое измерение не всегда можно провести. Иногда нет под рукой соответствующего измерительного прибора, или он неудовлетворяет.

 
 

по точности, или даже вообще ещё не создан. В этом случае приходится прибегать к косвенному измере­нию.

Косвенными измерениями называют та­кие измерения, при которых значение искомой величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величи­нами, подвергаемыми прямым измерениям. При косвенных измерениях измеряют не собственно определяемую величину, а другие величины, функционально с ней связанные. Значение измеряемой косвенным путем величины X находят вычислением по формуле

X = F(Y1, Y2, … ,Yn),

где Y1 , Y2 , … Yn - значения величин, полученных путем прямых измерений.

Примером косвенного измерения является определение электрического сопротивления с помощью амперметра и вольтметра. Здесь путем прямых измерений находят значения падения напряжения U на сопротивлении R и ток I через него, а искомое сопротивление R находят по формуле

R = U/I .

Операцию вычисления измеряемой величины может производить вручную или с помощью вычислительного устройства, помещенного в прибор.

Прямые и косвенные измерения в настоящее время широко использу­ются на практике и являются наиболее распространенными видами измерений .

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

Например, для определения значений сопротивлений резисторов, соединенных треугольником (рис. 2.2), измеряют сопротивления на каждой

паре вершин треугольника и получают систему уравнений

;

;

.

Из решения этой системы уравнений получают значения сопротивлений

 

, , ,

где .

Совместные измерения - это производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин X1, X2,…,Xn, значения которых находят решением системы уравнений:

Fi(X1, X2, … ,Xn; Yi1, Yi2, … ,Yim) = 0,

где i = 1, 2, …, m > n; Yi1, Yi2, … ,Yim - результаты прямых или косвенных измерений; X1, X2, … ,Xn – значения искомых величин.

Например, индуктивность катушки L = L0×(1 + w2×C×L0), где L0 – индуктивность при частоте w = 2×p×f , стремящейся к нулю; С – межвитковая емкость. Значения L0 и С нельзя найти прямыми или косвенными измерениями. Поэтому в простейшем случае измеряют L1 при w1 , а затем L2 при w2 и составляют систему уравнений:

L1 = L0×(1 + w12×C×L0);

L2 = L0×(1 + w22×C×L0),

решая которую, находят искомые значения индуктивности L0 и емкости С:

; .

Совокупные и совместные измерения есть обобщение косвен­ных измерений на случай нескольких величин.

Для повышения точности совокупных и совместных измерений обеспечивают условие m ³ n, т.е. число уравнений должно быть больше или равно числу искомых величин. Получающуюся при этом несовместную систему уравнений решают методом наименьших квадратов.

По числу наблюдений измерения подразделяются на (рис.2.1):

- обыкновенные измерения - измерения, выполняемые с однократным наблюдением;

- статистические измерения - измерения с многократными наблюдениями.

Наблюдение при измерении - экспериментальная операция, выполняемая в процессе измерений, в резуль­тате которой получают одно значение из группы значе­ний величин, подлежащих совместной обработке для по­лучения результатов измерений.

Результат наблюдения - результат величины, полу­чаемый при отдельном наблюдении.

По характеру зависимости измеряе­мой величины от времени измерения разделяются:

- на статические, при которых измеряемая величина оста­ется постоянной во времени в процессе измерения;

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

При динамических измерениях для получения результата измерения необходимо учитывать это изменение. А для оценки точности результатов динамических измерений необходимо знание динамических свойств средств измерений [1].

По числу измеряемых мгновенных значений в заданном интервале времени измерения подразделяются на дискретные и непрерывные (аналоговые).

Дискретные измерения – измерения, при которых на заданном интервале времени число измеряемых мгновенных значений конечно.

Непрерывные (аналоговые) измерения – измерения, при которых на заданном интервале времени число измеряемых мгновенных значений бесконечно.

По условиям, определяющим точность результатов, измерения бывают:

- максимально воз­можной точности, достигаемой при существующем уров­не техники;

- контрольно-поверочные, погрешность кото­рых не должна превышать

некоторое заданное значение;

- технические, в которых погрешность результата опреде­ляется характеристиками средств измерений [11].

По способу выражения результатов измерения различают абсолютные и относительные измерения.

Абсолютные измерения – измерения, основанные на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант.

Относительные измерения – измерения отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную [12].

 

2.2. Методы измерений и их классификация

Все измерения могут производиться различными методами. Различают следующие основные методы измерений: метод непосредственной оценки и методы сравнения c мерой [7] .

2.2.1. Метод непосредственной оценки характеризуется тем, что значение измеряемой величины опреде­ляется непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора, заранее градуированного в единицах измеряемой величины. Этот метод является наиболее простым и поэтому широко применяется при измерении различных величин, например: измерение веса тела на пружинных весах, силы электрического тока стрелочным ампермет­ром, разности фаз цифровым фазометром и т.д.

Функциональная схема измерения методом непосредственной оценки приведена на рис. 2.3.

 

 

Приборы непосредственной оценки всегда содержат измерительный преобразователь, который преобразует измеряемую величину в другую, доступную для сравнения наблюдателем или автоматичес­ким устройством. Так, в стрелочных приборах происходит преобра­зование измеряемой величины в угол поворота подвижной части, ко­торый отмечается стрелкой. По положению стрелки, т.е. сравнени­ем угла поворота с делениями на шкале находится значение изме­ряемой величины. Мерой в приборах непосредственной оценки слу­жат деления шкалы отсчетного устройства. Они поставлены не произвольно, а на основании градуировки прибора. Градуировка прибора непосредственной оценки состоит в том, что на его вход от меры подается величина заданного размера и отмечается пока­зание прибора. Этому показанию затем присваивается значение известной величины. Таким образом, деления шкалы отсчетного устройс­тва являются как бы заменителем («отпечатком») значения реаль­ной физической величины и поэтому могут быть использованы не­посредственно для нахождения значений измеряемых прибором величин. Следовательно, все приборы непосредственной оценки факти­чески реализуют принцип сравнения с физическими величинами. Но это сравнение разновременное и осуществляется опосредованно, с помощью промежуточного средства – делений шкалы отсчетного устройства.

2.2.2. Методы сравнения с мерой – методы измерений, в которых известную величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Эти методы по сравнению с методом непосредственной оценки более точны, но несколько сложны. Группа методов сравнения с мерой включает в себя следующие методы: противопоставления, нулевой, дифференциальный, совпадения и замещения.

Определяющим признаком методов сравнения является то, что в процессе каждого измерительного эксперимен­та происходит сравнение двух однородных независимых друг от друга величин - известной (воспроизводимой мерой) и измеряемой. При измерениях методами сравнения используются реальные физи­ческие меры, а не их «отпечатки».

Сравнение может быть одновременным, когда мера и измеряемая величина воздействуют на измерительный при­бор одновременно, и разновременным, когда воздей­ствие измеряемой величины и меры на измерительный прибор раз­несено во времени. Кроме того, сравнение может быть непосредственным и опосредован­ным. В первом случае измеряемая величина и мера непосредст­венно воздействуют на устройство сравнения, а во втором – через другие величины, однозначно связанные с известной и измеряемой величинами.

Одновременное сравнение осуществляется обычно методами противопоставления, нулевым, дифференциа­льным и совпадения, а разновременное - методом замещения.

Метод противопоставления – метод сравнения с мерой в котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами [2]. Функциональная схема метода противоставления приведена на рис. 2.4.

В этом методе измеряемая величина Х и мера Х0 воздействуют на два входа прибора сравнения. Результирующий эффект воздействия определяется разностью этих величин, т.е. e = Х - Х0 и снимается с отсчетного устройства прибора сравнения. Результат измерения находят как

Y = X0 + e .

Этот метод удобен, если имеются точная многозначная мера и несложные

устройства сравнения. Примером этого метода является взвешивание груза на равнопле­чих весах с помещением измеряемой массы и уравновешивающих её гирь на двух чашках весов и с полным уравновешиванием весов. При этом измеряемая масса определяется как сумма мас­сы гирь, её уравновешивающих, и показания по шкале весов. Метод противопоставления позволяет значительно уменьшить воздействие на результат измерений влияющих величин, поскольку последние более или менее одинаково искажают сигналы как в цепи преобразования измеряемой величины, так и в цепи преобразования величины, воспроизводимой мерой. Отсчетное устройство прибора сравнения реагирует на разность сигналов, вследствие чего эти искажения в некоторой степени компенсируют друг друга. Этот метод также применяют при измерении ЭДС, напряжения, тока и сопротивления [1].

Нулевой метод является разновидностью мето­да противопоставления, в котором результирующий эффект воз­действия величин на прибор сравнения доводят до нуля. Функциональная схема нулевого метода измерения приведена на рис. 2.5.

Здесь измеряемая величина X и мера X0 воздействуют на два входа измерительного прибора сравнения. Результирующий эффект воздействия определяется разностью этих величин, т.е. e = X – X0 . Изменяя величину, воспроизводимую мерой (это схематически указано на рисунке стрелкой), можно довести величину e до 0. Это обстоятельство отмечается индикатором нуля. Если e = 0, то Х = Хо, результат измерения Y есть полученное значение меры, т.е. Y = X0 .

Поскольку на индикатор нуля воздействует разность вели­чин, то его предел измерения может быть выбран меньшим, а чувствительность большей, чем у прибора для измерения X методом непосредственной оценки. Точность индикации равенства двух величин может быть весьма большой. А это ведет к повышению точности измерения. Погрешность измерения нулевым методом определяется погрешностью меры и погрешностью индикации нуля. Вторая составляющая обычно много меньше первой, практически точность измерения нулевым методом равна точности меры.

Примерами нулевых методов измерений являются: измерение массы на равноплечих весах с помещением измеряемой массы и уравновешивающих её гирь на двух чашках весов и полным уравновешиванием весов или измерение напряжения путем компенсации его напряжением образцового источника (в обоих случаях осуществляется непосредственное сравнение); а также измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием (опосредованное сравнение).

Нулевой метод измерения требует обязательного применения многозначных мер. Точность таких мер всегда хуже однозначных мер, кроме того, мы можем не иметь меры переменной величины. В таком случае нулевой метод не применим.

Дифференциальный метод представляет собой метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор (обязательно прибор сравнения) воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой, причем эта разность не доводится до нуля, а измеряется измерительным прибором прямого действия.

На рис. 2.6 показана функциональная схема дифференциального метода.

Здесь мера имеет постоянное значение Х0, разность измеряемой величины Х и меры Х0, т.е. e = Х - Х0, не равна ну­лю и измеряется измерительным прибором. Результат измерения на­ходятся как

Y = X0 + e .