лекции. Курс лекций по дисциплине Метрология, стандартизация и сертификация по профессиям и специальностям автомобильного профиля
 Скачать 99.04 Kb.
|
|
Лекция 13 ГРАДУИРОВКА И КАЛИБРОВКА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ Градуировкой называется процесс нанесения отметок на шкалы средств измерений, а также определение значений измеряемой величины, соответствующих уже нанесенным отметкам для составления градуировочных кривых или таблиц. Различают следующие способы градуировки. 1. Использование типовых шкал. Для подавляющего большинства рабочих и многих образцовых приборов используют типовые шкалы, которые изготовляются заранее в соответствии с уравнением статической характеристики идеального прибора. При регулировке параметрам элементов прибора экспериментально придают такие значения, при которых погрешность в точках регулировки становится равной нулю. 2. Индивидуальная градуировка шкал. Индивидуальную градуировку шкал осуществляют в тех случаях, когда статическая характеристика прибора нелинейная или близка к линейной, но характер изменения систематической погрешности в диапазоне измерения случайным образом меняется от прибора к прибору данного типа так, что регулировка не позволяет уменьшить основную погрешность до пределов ее допускаемых значений. 3. Градуировка условной шкалы. Условной называется шкала, снабженная некоторыми условными равномерно нанесенными делениями, например через миллиметр или угловой градус. В результате определяют зависимость числа делений шкалы, пройденных указателем от значений измеряемой величины. Эту зависимость представляют в виде таблицы или графика. Калибровка – это способ поверки измерительных средств, заключающийся в сравнении различных мер, их сочетаний или отметок шкал в различных комбинациях и вычислении по результатам сравнений значений отдельных мер или отметок шкалы исходя из известного значения одной из них. Следует отметить, что в ряде методик поверки предусматривается получение данных о действительных значениях метрологических характеристик СИ, а далее – сопоставление этих данных с установленными техническими требованиями, т. е. в поверке на определенном этапе проводится калибровка; такая методика поверки приемлема для использования в калибровке. В ряде методик подтверждение соответствия требованиям осуществляется без фиксации действительных значений метрологических характеристик, такие методики нуждаются в некоторых дополнениях. Естественно, что используемые для калибровки эталоны должны иметь подтверждение соответствия своих метрологических характеристик в четком соответствии с государственным регламентом. Калибровка средств измерений введена Законом «Об обеспечении единства измерений»; этот термин обозначает «совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения действительных значений метрологических характеристик и (или) пригодности к применению средства измерений, не подлежащего государственному метрологическому контролю и надзору». Результаты калибровки средств измерений удостоверяются калибровочным знаком, наносимым на средства измерений, или сертификатом о калибровке, в котором в обязательном порядке указываются действительные значения метрологических характеристик, а также записью в эксплуатационных документах. Лекция 14 ОБЩИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ Для точных измерений величин в метрологии разработаны приемы использования принципов и средств измерений. Наиболее просто реализуется метод непосредственной оценки, заключающийся в определении величины непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия, например взвешивание на циферблатных весах, определение размера детали с помощью микрометра или измерение давления пружинным манометром. Измерения с помощью этого метода проводятся очень быстро, просто и не требуют высокой квалификации оператора, поскольку не нужно создавать специальные измерительные установки и выполнять какие-либо сложные вычисления. Метод сравнения с мерой, заключающийся в том, что измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на измерительный прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между ними, называется методом противопоставления. Применение метода противопоставления позволяет значительно уменьшить воздействие на результаты измерений влияющих величин, поскольку они более или менее одинаково искажают сигналы измерительной информации 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. Разновидностью метода сравнения с мерой является также нулевой метод измерения, который состоит в том, что подбором размера воспроизводимой мерой величины или путем ее принудительного изменения эффект воздействия сравниваемых величин на прибор сравнения доводят до нуля. В этом случае компенсация воздействий влияющих величин оказывается более полной, а значение измеряемой величины принимается равным значению меры. При дифференциальном методе измерения на измерительный прибор (не обязательно прибор сравнения)подается непосредственно разность измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой. Дифференциальный метод неприменим при измерении таких величин, как температура или твердость тел. К разновидностям метода сравнения с мерой относится и метод замещения, широко применяемый в практике точных метрологических исследований. Сущность метода в том, что измеряемая величина замещается в измерительной установке некоторой известной величиной, воспроизводимой мерой. Одним из общих методов измерений является метод совпадений, представляющий собой разновидность метода сравнения с мерой. При проведении измерений методом совпадений разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. В зависимости от метода измерений и свойств применяемых средств измерений все виды измерений могут выполняться либо с однократными, либо многократными наблюдениями. Лекция 15 СПЕЦИАЛЬНЫЕ ПРИЕМЫ ИЗМЕРЕНИЙ Для точных измерений величин в метрологии разработаны приемы использования принципов и средств измерений, применение которых позволяет исключить из результатов измерений ряд систематических погрешностей и тем самым освобождает экспериментатора от необходимости определять многочисленные поправки для их компенсации, а в некоторых случаях вообще является предпосылкой получения сколько-нибудь достоверных результатов. Многие из этих приемов используют при измерении только определенных величин, однако существуют и некоторые общие приемы, названные методами измерения. При проведении наиболее точных измерений предпочтение отдается различным модификациям метода сравнения с мерой, при котором измеряемую величину находят сравнением с величиной, воспроизводимой мерой. В рамках общих методов измерений в метрологической практике и в общем приборостроении часто применяются специальные приемы для исключения самих источников систематических погрешностей или их компенсации. Рассмотрим наиболее употребительные из этих приемов. Параметрическая стабилизация очень широко применяется при ответственных измерениях. Этот прием используют для поддержания в заданных пределах температуры и влажности окружающей среды, напряжения питания и др. Наиболее распространены такие способы параметрической стабилизации, как термоста-тирование приборов, защита от воздействия вибраций, использование эффективных стабилизаторов в цепях электропитания приборов, экранирование приборов для защиты их от воздействия посторонних электрических, магнитных, радиационных и других полей. Способ компенсации постоянных и периодических погрешностей по знаку. При реализации этого способа процесс измерения строится таким образом, что постоянная систематическая погрешность входит в результат измерения один раз с одним знаком, а другой раз – с другим. Тогда среднее из двух полученных результатов оказывается свободным от постоянной погрешности. Способ вспомогательных измерений применяется в тех случаях, когда воздействие влияющих величин на результаты измерений вызывает большие погрешности измерений. Тогда идут на заведомое усложнение схемы измерительной установки, включая в нее элементы, воспринимающие значение влияющих величин, автоматически вычисляющие соответствующие поправки и вносящие их в полезные сигналы, которые поступают на отсчетные или регулирующие устройства. В настоящее время наибольшее применение нашли специальные методы измерения, использующие оборудование, специально разработанное для измерения параметров с заданными метрологическими и эксплуатационными характеристиками (тип устройства, диапазон измеряемых параметров, погрешность измерений, время подготовки к повторному опыту, ресурс работы). Например, специальные методы измерений скоростей используют два основных принципа измерений: – измерение смещения частоты отраженного от движущегося тела сигнала относительно частоты основного сигнала; – измерение интервала времени между сигналами датчиков пролета пули, разнесенных на величину измерительной базы. Лекция 16 МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ Каждое средство измерений обладает своими специфическими свойствами, которые описывают характеристиками, среди которых основное место занимают метрологические характеристики. Знание метрологических характеристик необходимо для выбора средств измерения и оценивания точности результата измерений. Существуют следующие метрологические характеристики средств измерений: – номинальная статическая характеристика преобразования (функция преобразования – функциональная зависимость между информативными параметрами выходного и входного сигнала средства измерения, ее еще называют номинальной функцией преобразования средства измерения); – чувствительность – отношение приращения выходного сигнала средства измерения к вызвавшему это приращение изменению входного сигнала. Применительно к измерительным приборам – если их чувствительность постоянна, то шкала прибора равномерная, т. е. длина всех делений шкалы одинаковая; – диапазон измерений – область значений измеряемой нормированной величины, для которой нормируется погрешность средства измерения. Диапазон измерений ограничен наибольшим и наименьшим значениями. Для измерительных приборов область значений шкалы ограничивают начальным и конечным значениями шкалы, называют диапазоном показаний. Может делится на поддиапазоны; – цена деления шкалы – разность значений величины, соответствующей двум соседним отметкам шкалы. Для средств измерений, выражающих результат измерения в цифровой форме, указывают цену единицы младшего разряда, вид выходного кода и число разрядов кода; – для оценки влияния средства измерения на режим работы объекта исследования нормируется входное полное сопротивление. При включении средства измерения в цепь оно потребляет от этой цепи некоторую мощность, что может привести к изменению режима цепи; – допустимая нагрузка на средство измерения и погрешность передачи сигнала измерительной информации зависит от выходного полного сопротивления; – важнейшая характеристика средства измерения – погрешность, которую оно вносит в результат измерения или, как принято говорить, погрешность средства измерения. Погрешности средств измерений зависят от внешних условий, поэтому их принято делить на основную и дополнительную. Основная – погрешность в условиях, принятых за нормальные для данного средства измерения. Дополнительная погрешность – возникает при отклонении измеряемой величины от нормальных значений; – динамические характеристики средств измерений – характеристики инерционных свойств. Средства, определяющие зависимость выходного сигнала средства измерения от меняющихся во времени величин: параметры входного сигнала, внешних влияющих величин, нагрузки и др. В зависимости от полноты описания динамических свойств средств измерения различают полные, частные динамические характеристики. К полным динамическим характеристикам относят переходную характеристику, амплитудно-фазовую, амплитудно-частотную, передаточную функцию и т. д. Для измерительных приборов – время реакции, время установления показаний, т. е. время от момента скачкообразного изменения измеряемой величины до момента установления с определенной погрешностью показаний. Лекция 17 ИСТИННЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН И РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ Шпаргалка по метрологии, стандартизации, сертификацииПри анализе измерений следует четко разграничивать два понятия: истинные значения физических величин и их эмпирические проявления – результаты измерений. Истинные значения физических величин – это значения, идеальным образом отражающие свойства данного объекта как в количественном, так и в качественном отношении. Они не зависят от средств нашего познания и являются абсолютной истиной. Результаты измерений представляют собой приближенные оценки значений величин, найденные путем измерения, они зависят от метода измерения, от технических средств, с помощью которых проводятся измерения, и от свойств органов чувств наблюдателя, осуществляющего измерения. Разница А между результатами измерения X и истинным значением Q измеряемой величины называется погрешностью измерения: А = X– Q. Причинами возникновения погрешностей являются: несовершенство методов измерений, технических средств, применяемых при измерениях, и органов чувств наблюдателя. В отдельную группу следует объединить причины, связанные с влиянием условий проведения измерений. Последние проявляются двояко. С одной стороны, все физические величины, играющие какую-либо роль при проведении измерений, в той или иной степени зависят друг от друга. Поэтому с изменением внешних условий изменяются истинные значения измеряемых величин. С другой стороны, условия проведения измерений влияют и на характеристики средств измерений и физиологические свойства органов чувств наблюдателя и через их посредство становятся источником погрешностей измерения. Причины возникновения погрешностей определяются совокупностью большого числа факторов. Их можно объединить в две основные группы: – случайные (в том числе грубые погрешности и промахи), изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины; – систематические погрешности, остающиеся постоянными или закономерно изменяющиеся при повторных измерениях. В процессе измерения оба вида погрешностей проявляются одновременно, и погрешность измерения можно представить в виде суммы: А = 6 + 6, где 6 – случайная, а 6 – систематическая погрешности. Для получения результатов, минимально отличающихся от истинных значений величин, проводят многократные наблюдения за измеряемой величиной с последующей математической обработкой опытных данных. Поэтому наибольшее значение имеет изучение погрешности как функции номера наблюдения, т. е. времени A(f). Тогда отдельные значения погрешностей можно будет трактовать как набор значений этой функции: А1 = A(f1), А2 = A(f2),...А„= A(f„). В общем случае погрешность является случайной функцией времени, которая отличается от классических функций математического анализа тем, что нельзя сказать, какое значение она примет в момент времени t. Можно указать лишь вероятности появления ее значений в том или ином интервале. В серии экспериментов, состоящих из ряда многократных наблюдений, мы получаем одну реализацию этой функции. При повторении серии при тех же значениях величин, характеризующих факторы второй группы, неизбежно получаем новую реализацию, отличающуюся от первой. Лекция 18 СИСТЕМАТИЧЕСКАЯ ПОГРЕШНОСТЬ И ЕЕ ВИДЫ Систематической погрешностью называется составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно меняющаяся при повторных измерениях одной и той же величины. Совершенствование методов измерения, использование высококачественных материалов, прогрессивная технология – все это позволяет на практике устранить систематические погрешности настолько, что при обработке результатов наблюдений с их наличием зачастую не приходится считаться. Систематические погрешности принято классифицировать в зависимости от причин их возникновения и по характеру их проявления при измерениях. В зависимости от причин возникновения рассматриваются четыре вида систематических погрешностей. Погрешности метода – теоретические погрешности, проистекающие от ошибочности или недостаточной разработки принятой теории метода измерений в целом или от допущенных упрощений при проведении измерений. Погрешности метода возникают также при экстраполяции свойства, измеренного на ограниченной части некоторого объекта, на весь объект, если последний не обладает однородностью измеряемого свойства. При определении плотности вещества по измерениям массы и объема некоторой пробы возникает систематическая погрешность, если проба содержала некоторое количество примесей, а результат измерения принимается за характеристику данного вещества вообще. К погрешностям метода следует отнести также те погрешности, которые возникают вследствие влияния измерительной аппаратуры на измеряемые свойства объекта. Подобные явления возникают, например, при измерении длин, когда измерительное усилие используемых приборов достаточно велико, при регистрации быстропротекающих процессов недостаточно быстро действующей аппаратуры, при измерениях температур жидкостными или газовыми термометрами и т. д. Инструментальные погрешности, зависящие от погрешностей применяемых средств измерений. Среди инструментальных погрешностей в отдельную группу выделяются погрешности схемы, не связанные с неточностью изготовления средств измерения и обязанные своим происхождением самой структурной схеме средств измерений. Исследование инструментальных погрешностей является предметом специальной дисциплины – теории точности измерительныхустройств. |