Курс лекций по дисциплине Прикладная метрология, стандартизация и сертификация (стр. 15 )

2. Основы технических измерений.

2.1. Классификация измерений. Виды и методы измерений.

Измерения как экспериментальные процедуры определения значений измеряемых величин весьма разнообразны, что объясняется множеством измеряемых величин, различным характером их изменения во времени, различными требованиями к точности измерений и т. д. С помощью измерительного прибора сравнивают размер величины, информация о котором преобразуется в перемещение указателя (или другого устройства отображения информации), с единицей, хранимой шкалой этого прибора.

Измерения могут быть классифицированы:

1.  по характеристике точности – равноточные (ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности СИ и в одних и тех же условиях), неравноточные (ряд измерений какой-либо величины, выполненных несколькими различными по точности СИ и (или) в нескольких разных условиях);

2.  по общим приемам получения результатов измерений – прямые (измерения, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно, например, измерение массы на весах), косвенные (измерение, при котором искомое значение ФВ определяют на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной);

3.  по выражению результата измерений – абсолютные (измерение, основанное на прямых измерениях величин и (или) использовании значений физических констант, например измерение силы F основано на измерении основной величины массы – m и использовании физической постоянной – ускорения свободного падения g) и относительные (измерение отношения величины к одноименной величине, выполняющей роль единицы);

4.  по отношению к изменению измеряемой величины – статические (измерение неизменной во времени ФВ, например, измерение длины детали при нормальной температуре) и динамические (измерение изменяющейся по размеру ФВ, например, измерение напряжения переменного тока);

5.  по числу измерений в ряду измерений – однократные, многократные.

Метод измерения – это прием или совокупность приемов сравнения измеряемой ФВ с её единицей в соответствии с реализованным принципом измерения. Метод измерения должен по возможности иметь минимальную погрешность и способствовать исключению систематических погрешностей или переводу их в разряд случайных.

Методы измерений можно классифицировать по различным признакам. Известна [3] классификация по основным измерительным операциям. Она тесно связана с элементарными СИ, реализующими эти операции. Данная классификация ориентирована на структурное описание СИ и поэтому важна для измерительной техники, а также метрологии информационно-измерительных систем.

Для метрологического анализа более важными являются традиционные классификации, основанные на следующих признаках. Первый из них – физический принцип, положенный в основу измерения. По нему все методы измерений делятся на электрические, магнитные, акустические, оптические, механические и т. д. В качестве второго признака классификации используется режим взаимодействия средства и объекта измерений. В этом случае все методы измерений подразделяются на статические и динамические. Третьим признаком может служить применяемый в СИ вид измерительных сигналов. В соответствии с ним методы делятся на аналоговые и цифровые.

Наиболее разработанной является классификация по совокупности приемов использования принципов и СИ. По этой классификации различают метод непосредственной оценки и метод сравнения (см. рис. 2). Эти устоявшиеся в литературе названия не совсем удачны поскольку наводят на мысль о возможности измерения без сравнения. Представляется более правильным говорить о опосредованном и непосредственном сравнении с мерой. При этом непосредственным и опосредованным сравнение может быть, как во времени, так и в отношении физической природы измеряемых величин.

Сущность метода непосредственной оценки состоит в том, что о значении измеряемой величины судят по показанию одного (прямые измерения) или нескольких (косвенные измерения) средств измерений, которые заранее проградуированы в единицах измеряемой величины или единицах других величин, от которых она зависит. Это наиболее распространенный метод измерения. Его реализуют большинство средств измерений.

Простейшими примерами метода непосредственной оценки могут служить измерения напряжения электромеханическим вольтметром магнитоэлектрической системы или частоты импульсной последовательности методом дискретного счета, реализованном в электронно-счетном частотомере.

Другую группу образуют методы сравнения: дифференциальный, нулевой, совпадений, замещения. К ним относятся все те методы, при которых измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Следовательно отличительной особенностью этих методов сравнения является непосредственное участие мер в процессе измерения.

При дифференциальном методе измеряемая величина Х сравнивается непосредственно или косвенно с величиной ХМ, воспроизводимой мерой о значении величины Х судят по измеряемой приборам разности ∆Х=Х–ХМ, и по известной величине ХМ, воспроизводимой мерой. Следовательно, Х=ХМ+∆Х. При дифференциальном методе производится неполное уравновешивание измеряемой величины. Он сочетает в себе часть признаков метода непосредственной оценки и может дать весьма точный результат измерения, если только измеряемая величина и величина воспроизводимая мерой, мало отличаются друг от друга. Например если разность этих двух величин составляет 1 % и измеряется с погрешностью до 1 % то тем самым погрешность измерения искомой величины уменьшается до 0,01 % (если не учитывать погрешность меры).

Примером дифференциального метода может служить измерение вольтметром разности двух напряжений, из которых одно известно с большой точностью, а другое представляет собой искомую величину.

Нулевой метод представляет собой разновидность дифференциального метода. Его отличие состоит в том, что результирующий эффект сравнения двух величин доводится до нуля. Это контролируется специальным измерительным прибором высокой точности – нуль-индикатором. В данном случае значение измеряемой величины равно значению, которое воспроизводит мера. Высокая чувствительность нуль-индикаторов, а также выполнение меры с высокой точностью позволяют получить малую погрешность измерения. Пример нулевого метода – взвешивание на весах, когда на одном плече находится взвешиваемый груз, а на другом плече – набор эталонных грузов. Другой пример – измерение сопротивления с помощью уравновешенного моста.

Метод замещения заключается в поочерёдном измерении прибором искомой величины и выходного сигнала меры, однородного с измеряемой величиной. По результатам этих измерений вычисляется искомая величина. Поэтому оба измерения производятся одним и тем прибором в одинаковых внешних условиях, а искомая величина определяется по отношению показаний прибора, погрешность результата измерения уменьшается в значительной мере. Так как погрешность прибора неодинакова в различных точках шкалы, наибольшая точность измерения получается при одинаковых показаниях прибора.

Пример метода замещения – измерение большого электрического активного сопротивления путем поочерёдного измерения силы тока, протекающего через контролируемый и образцовый резисторы. Питание цепи при измерениях должно осуществляться от одного и того же источника постоянного тока. Выходное сопротивление источника тока и измерительного прибора – амперметра должно быть очень мало по сравнению с измеряемыми сопротивлениями.

При методе совпадений разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, определяют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Этот метод широко используется в практике неэлектрических измерений. Примером может служить измерение длины при помощи штангенциркуля с нониусом. Примером использования данного метода в электрических измерениях является измерение частоты вращения тела посредством стробоскопа.

2.2. Основные характеристики измерений.

Основными характеристиками измерений являются:

1.  принцип измерений.

2.  метод измерений.

3.  погрешность измерений.

4.  точность измерений.

5.  правильность (измерений) представление измерений.

6.  достоверность измерений.

7.  сходимость измерений.

8.  воспроизводимость измерений.

Дадим определение этим характеристикам.

Принцип измерений – это физическое явление или совокупность физических явлений положенных в основу измерений.

Таким образом обобщая рассмотренные выше определения получим, что метод измерений – это совокупность приемов использования принципа и средств измерений.

Погрешность измерений – это отклонение результата измерений от истинного значения измеряемой величины.

Истинное значение измеряемой величины неизвестно, поэтому с помощью измерений находится так называемое действительное значение, настолько приближающееся к истинному, что для данного процесса может быть использовано вместо него

∆ = Хизм – Хист.

Точность измерений – это качество измерений отражающее близость результатов к истинному значению измеряемой величины.

Правильность измерений – это качество измерений отражающее близость к нулю систематических погрешностей результатов измерений.

Достоверность измерений – степень доверия к результатам измерений.

Сходимость измерений – качество измерений отражающее близость друг к другу результатов измерений выполняемых в одинаковых условиях.

Воспроизводимость измерений – это качество измерений отражающее близость друг к другу результатов измерений выполняемых в различных условиях.

2.3. Классификация средств измерений.

Средства измерений (ГОСТ 16263-70) – это техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики. Таким образом под СИ следует понимать техническое средство, предназначенное для измерений и позволяющее решать измерительную задачу путем сравнения измеряемой величины с единицей или шкалой ФВ.

СИ является обобщенным понятием, объединяющим самые разнообразные конструктивно законченные устройства, которые обладают одним из двух признаков:

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49