Метрология к.р. Контрольная работа По дисциплине Метрология, стандартизация и сертификация на водном транспорте

• Название: Контрольная работа По дисциплине Метрология, стандартизация и сертификация на водном транспорте
• Дата: 03.10.2021
• Размер: 1 Mb.
• Имя файла: Метрология к.р.docx
• Тип: Контрольная работа; #240783
• страница: 1 из 3

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего образования

«Мурманский государственный технический университет»

(ФГАОУ ВО «МГТУ»)

Кафедра Судовождения



Контрольная работа
По дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация на водном транспорте»

Тема: Измерительные процессы

Выполнил: Cорока Р.П.

Курс: 3 курс

Группа: СВс 18з - 464

Преподаватель: Пеньковская К.В.

Мурманск

2021

Классификация измерений. Эмпирические и теоретические элементы измерений. Понятие об измерительной цепи.
Согласно ГОСТ 16263-70, измерение – это нахождение значения физической величины (ФВ) опытным путем с помощью специальных технических средств. Значимость измерений выражается в трех аспектах: философском, научном и техническом.

Философский аспектсостоит в том, что измерения являются важнейшим универсальным методом познания физических явлений и процессов. В этом смысле метрология как наука об измерениях занимает особое место среди остальных наук. Возможность измерения обуславливается предварительным изучением заданного свойства объекта измерений, построением абстрактных моделей как самого свойства, так и его носителя – объекта измерения в целом. Поэтому место измерения определяется не среди первичных (теоретических или эмпирических) методов познания, а среди вторичных (квантитативных), обеспечивающих достоверность измерения. С помощью вторичных познавательных процедур решаются задачи формирования данных (фиксации результатов познания). Измерение с этой точки зрения представляет собой метод кодирования сведений, получаемых с помощью различных методов познания, т.е. заключительную стадию процесса познания, связанную с регистрацией получаемой информации.

Научный аспектизмерений состоит в том, что с их помощью в науке осуществляется связь теории и практики. Без измерений невозможна проверка научных гипотез и соответственно развитие науки.

Измерения обеспечивают получение количественной информации об объекте управления или контроля, без которой невозможно точное воспроизведение всех заданных условий технического процесса, обеспечение высокого качества изделий и эффективного управления объектом. Все это составляет технический аспектизмерений.



Рисунок 1– Классификация видов измерений.
Как сложная познавательная и экспериментальная процедура измерение в общем случае может быть представлено в виде совокупности определенным образом взаимосвязанных элементов.

Из анализа определения измерения непосредственно вытекает необходимость рассмотрения следующих основных его элементов:

– физической величины (указывающей, что именно измеряется);

– единицы физической величины (представляющей, через что вы­ражается измеряемая величина);

– средства измерений (показывающего, с помощью чего измеряется величина);

– метода измерений (раскрывающего, как именно измеряется вели­чина);

– результата измерения (отражающего значение величины, полу­ченное при измерении);

– погрешности результата измерения (указывающей, как отличается

полученный результат измерения от истинного значения измеряемой величины).

Перечисленные основные элементы изме­рения разнородны по природе; в частности, одни из них относятся к реальному миру, а другие - к знаниям о реальных объектах. Исследова­ние описаний измерительных процессов и измерительных цепей дает возможность расширить перечень и определенным образом системати­зировать структурные элементы, отражающие различные стороны изме­рения.

Прежде всего, следует выделить эмпирические (вещественные) и теоретические (модельные) элементы измерения. К эмпирическим элементам относятся (рис.3):

– объект исследования (ОИ) и его конкретное, подлежащее измере­нию свойство;

– средства измерений (СИ), включая регистрирующее устройство (рис.2);

– внешняя среда, оказывающая влияние на ОИ и СИ;

– наблюдатель (оператор), выполняющий измерение;

– вычислительное устройство (ВУ), используемое для обработки данных;

– вспомогательные технические средства, применяемые для обес­печения эксперимента и управления им.



Рисунок 2 – Классификация средств измерений

Анализ и проектирование измерительной процедуры требуют формирования теоретических (модельных) элементов, отражающих существенные аспекты материальных элементов.


Рисунок 3 – Эмпирические элементы измерения (измерительного эксперимента)
Теоретические элементы можнло разделить на три группы. Первая из них (условно называемая структурной) используется для опи­сания перечисленных эмпирических (материальных) элементов (рис. 3).

В эту группу элементов входят:

– модель объекта исследования;

– ФВ и измеряемая величина;

– шкала и единица ФВ;

– принцип измерений;

– метод измерений;

– структура измерительной цепи ПИП, ИП;

– влияющие величины.

Рисунок 4 – Информационные элементы измерительной цепи: MX - метрологическая характеристика; ПИП – первичный измерительный преобразователь; ИП – измерительный преобразователь.
Вторая группа теоретических элементов, отражающая свойства измерительной цепи и сигналов измерительной информации, может быть названа информационной – с ее помощью описываются взаимодействия эмпирических элементов и результаты этих воздействий (рис. 4).

Сюда входят:

– измерительный сигнал (сигнал измерительной информации);

– метрологические характеристики средства измерений (MX СИ), показание средства измерений;

– результат наблюдения (однократного измерения) или отсчет;

– результат измерения;

– погрешность результата измерения и ее составляющие.

Наконец, особо выделяются математические модели (своеобразная

третья группа элементов), представляющие либо измерение в целом, либо его этапы:

– уравнения измерений;

– алгоритм обработки данных.

Взаимосвязи между материальными и соответствую­щими им теоретическими элементами.

Объект исследования– это реальный физический объект, обладающий множеством свойств и взаимосвязанный с окружающими его другими объектами. Для его изучения строится модель объекта, имею­щая определенные структуру и параметры. Отдельные свойства объекта исследования должны быть адекватными конкретным параметрам модели и описываются как соответствующие физические величины. Таким образом, свойства реального объекта и физические величины соотносят­ся друг с другом, как реальность и ее модель.

Разработка методики выполнения измерений основывается на имеющихся знаниях об ОИ и ФВ (использованных при составлении математических моделей), а само измерение проводится при операциях с натуральными объектами и их свойствами. Следовательно, измерение играет роль своеобразного «мостика» между абстракцией и действи­тельностью, связующего звена между реальным и идеальным – этим объясняется его особое значение в познании. Изучаемое свойство (и отвечающая ему физическая величина) мо­жет оказаться изменяющимся во времени. Например, переменное элек­трическое напряжение: и = Um sin ωt, где параметрами модели являют­ся амплитуда Um , частота ω и текущее время t.

В подобном случае следует выделять известный постоянный параметр (чаще всего – функ­ционал), который отражает исследуемую особенность ФВ и является собственно измеряемой величиной. В указанном примере таковым пред­ставляется параметр Um или Um / действующее значение).

Необходимо подчеркнуть, что физическая величина неразрывно связана с конкретным свойством объекта исследования, а при ее изме­рении реализуется взаимодействие СИ с ОИ либо с одним из его полей.

Организация взаимодействия производится сообразно с теоретическими, а следовательно, с субъективными представлениями (знаниями) наблюдателя. Отсюда следует, что неотъемлемым элементом измерения является наблюдатель (экспериментатор, человек). Автоматизация из­мерений всегда ограничена рамками измерительного эксперимента, проводимого по программе, которая разрабатывается и корректируется человеком.

Принцип измерений определяется как совокупность физических явлений, на которых основаны измерения. При этом имеются в виду физические основы взаимодействия объекта исследования и средства измерений (или первичного измерительного преобразователя - ПИП). Например, при измерении массы взвешиванием используется принцип пропорциональности массы и силы тяжести; при измерении температу­ры ртутным термометром - зависимости объема ртути от температуры.

Метод измерений - совокупность правил и приемов использования СИ. Это весьма широкое определение привело к различному толкова­нию понятия. Для сложных средств измерений требуется перечисление всех применяемых преобразований измерительных сигналов. Иногда под методом измерений подразумевается метод сравнения измеряемой величины с мерой; чаще всего понятие метода (конкретного) определя­ется так, чтобы указать наиболее характерную особенность преобразо­вания измерительного сигнала, в том числе и принципа измерения. На­пример, говорится о методах электрических измерений и при этом под­разумевается использование электрических сигналов в измерительных цепях.

Средства измерений определяются как технические средства, предназначенные для измерений и имеющие нормированные метрологические характеристики. Элементарными средствами измерений являются меры, хранящие размер единицы физической величины, и измеритель­ные преобразователи (ИП), с помощью которых формируются и преоб­разуются измерительные сигналы. В зависимости от функциональной сложности СИ различаются измерительные приборы, установки и сис­темы.

Все средства измерений классифицируются по двум наиболее важным основаниям: по роли в процессе измерений и выполняемым функциям.


Рисунок 5 – Классификация средств измерений
Последовательно соединенные ИП для одного измерительного сиг­нала образуют измерительную цепь (см. рис. 4). В состав цепи помимо первичных и промежуточных ИП (ПИП, ПрИП) входят меры и средства обработки и регистрации результатов. Для эксперимента необходимы и вспомогательные технические средства. В совокупности со средствами измерений они называются «измерительной аппаратурой».

Особой частью СИ является цепь передачи размера единицы физической величины, формирующая сигнал от меры. Для большинства рабочих приборов подобная цепь составляется только при аттестации (испытаниях) или поверке либо совмещается с рабочей цепью, при этом образцовый и измерительный сигналы сравниваются визуально.

Как реальное техническое средство СИ описывается своей моде­лью, которая может быть представлена достаточно полно его метроло­гическими характеристиками (MX). Последние, являясь характеристи­ками свойств средств измерений, дают возможность Определять пара­метры преобразования сигнала и судить о пригодности СИ для выпол­нения измерений с заданной точностью.

Вычислительное устройство (ВУ), осуществляющее либо преобразования измерительного сигнала, либо обработку результатов однократ­ных измерений (наблюдений), способно играть роль измерительного преобразователя в измерительной цепи. Оно обеспечивает выполнение определенного алгоритма обработки данных, составляемого на основе анализа теоретических элементов измерения: уравнения измерений, измеряемой величины, MX СИ. Алгоритм (теоретический элемент) оказывается при этом основным, а ВУ (материальный элемент) – подчиненным компонентом, реализующим алгоритм с определенной степенью точности.

Элементы внешней среды и условия измерений существенно влия­ют на результаты измерений и, соответственно, требуют надлежащего представления; они описываются как влияющие величины. Выделяются нормальные условия применения средств измерений, при которых принимается во внимание только их основная погрешность, и рабочие условия, где требуется учитывать и дополнительные погрешности СИ.

При выполнении измерений большое значение имеет контроль ус­ловий измерений. Обеспечить контроль условий измерений удается двумя основными способами: либо стабилизацией конкретного условия, достигаемой с помощью специальных технических средств, либо измерением влияю­щих величин и введением соответствующих поправок при обработке экспериментальных данных. Во многих точных измерениях оба способа применяются совместно.

При описании информационных элементов необходимо обратить внимание на то, что первичный измерительный сигнал появляется толь­ко на выходе ПИП как результат взаимодействия чувствительного эле­мента ц объекта исследования. Происходит отбор по изучаемому свой­ству одного воздействия из множества возможных. Качество отбора обусловливается двумя факторами – уровнями сигнала и помех, зависящих от внешних воздействий на объект исследования и на средство измерений. Степень соответствия полезного сигнала конкретному свой­ству определяется точностью выбранной модели ОИ и ФВ и характери­зуется теоретической составляющей методической погрешности.

Изме­рительные сигналы могут быть аналоговыми или дискретными, но на конечной стадии преобразования становятся числами. Различаются исходные показания средства измерений (отсчеты), получаемые по ним результаты наблюдений и конечные результаты измерений, найденные обработкой результатов наблюдений. Конечный результат измерения выражается в виде именованного числа. При относительных единицах ФВ результат может выражаться в долях (процентах, промилле, децибе­лах), однако размер одной доли должен быть всегда указан.
Измерительный сигнал, показания средств измерений, результат измерения, погрешность результата измерения, ее составляющие.
Сигналомназывается материальный носитель информации, представляющий собой некоторый физический процесс, один из параметров которого функционально связан с измеряемой физической величиной. Такой параметр называют информативным.

Измерительная информация, т.е. информация о значениях измеряемой ФВ, содержится в измерительном сигнале. Измерительный сигнал– это сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой ФВ. Он поступает на вход СИ, при помощи которого преобразуется в выходной сигнал, имеющий форму, удобную либо для непосредственного восприятия человеком (субъектом измерения), либо для последующей обработки и передачи. Субъект измерения осуществляет выбор принципа, метода и средства измерений.

Основные понятия, термины и определения в области измерительных сигналов устанавливает ГОСТ 16465-70 «Сигналы радиотехнические. Термины и определения». Измерительные сигналы чрезвычайно разнообразны.

Их классификация по различным признакам приведена на рис. 6.



Рисунок 6 – Классификация измерительных сигналов
По характеру измерения информативного и временного параметров измерительные сигналы делятся на аналоговые, дискретные и цифровые.

Аналоговый сигнал – это сигнал, описываемый непрерывной или кусочно-непрерывной функцией Y_a(t), причем как сама эта функция, так и ее аргумент t могут принимать любые значения на заданных интервалах Y  (Y_min; Y_max) и t  (t_min; t_max) (рис. 7, а).
Дискретный сигнал – это сигнал, изменяющийся дискретно во времени или по уровню. В первом случае он может принимать в дискретные моменты времени nТ, где Т = const – интервал (период) дискретизации, n = 0; 1; 2;...– целое, любые значения Y_д(nT)  (Y_niin; Y_max), называемые выборками, или отсчетами. Такие сигналы (рис. 7, 6) описываются решетчатыми функциями. Во втором случае значения сигнала Y_a(t) существуют в любой момент времени t  (t_min; t_max), однако они могут принимать ограниченный ряд значений h_i = nq, кратных кванту q.

Цифровые сигналы – квантованные по уровню и дискретные по времени сигналы Y_u(nT), которые описываются квантованными решетчатыми функциями (квантованными последовательностями), принимающими в дискретные моменты времени пТ лишь конечный ряд дискретных значений – уровней квантования h₁, h₂, .... h_n (рис. 7, в).



Рисунок 7 – Аналоговый (а), дискретный (по времени) (б)

и цифровой (в) измерительные сигналы
Результат измерения физической величины (кратко – результат измерения или результат) - это значение физической величины, полученное путем ее измерения. Часто в полученный результат измерений вводят поправки. В итоге значение величины до и после введения поправки будет различным. Это должно найти отражение в терминологии.

Неисправленный результат измерения (кратко – неисправленный результат) – значение физической величины, полученное при помощи средства измерений до введения поправок.

Исправленный результат измерения (кратко – исправленный результат) – значение физической величины, полученное при помощи средства измерений и уточненное путем введения в него необходимых поправок.

Качество измерений характеризуется точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью, а также размером допускаемых погрешностей. Точность измерения – характеристика качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности его результата. Точность измерения является величиной качественной. Высокая точность измерения соответствует малым погрешностям и наоборот. Иногда точность количественно оценивают обратной величиной модуля относительной погрешности.