Конспект лекции. Лекция Введение. Основные понятия и определения. Измерения, результат измерения, погрешности измерения и их классификация, достоверность измерения. Введение
 Скачать 1.55 Mb.
|
|
1 Лекция 1. Введение. Основные понятия и определения. Измерения, результат измерения, погрешности измерения и их классификация, достоверность измерения. Введение Данный курс лекций позволяет получить общие представления о измерительной технике, как науке об основах проведения метрологического эксперимента и об обработке результатов измерений. Понятие «измерение» встречается в различных науках (математике, физике, химии, психологии, экономике и др.), но в каждой из них оно может толковаться по-разному. В данном курсе рассматриваются только задачи, относящиеся к измерениям физических величин в области автоматизации и управления. К ним относятся: - измерение параметров деталей или элементов, из которых состоит измеряемый объект; - измерение режимов отдельных деталей, узлов и всего измеряемого объекта; - градуировка или проверка градуировки шкал различных приборов; - снятие характеристик, определяющих свойства приборов и устройств; - определение искажений сигналов при их прохождении через различные устройства; - измерение параметров модулированных сигналов; Кроме того, сюда можно отнести погрешности измерений, способы их учета и уменьшения, оценку результатов измерения. Курс читается студентам обучающимся по специальности «Автоматизация и управления» и рассчитан на 30 часов лекций с лабораторным практикумом. Измерение - это совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, заключающихся в сравнении (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей с целью получения значения этой величины (или информации о нем) в форме, наиболее удобной для использования. Производством и применением средств измерений для получения измерительной информации, а также научными вопросами, возникающими при этом, занимается отрасль науки и техники, называемая измерительной техникой. Таким образом, измерительная техника рассматривается как область деятельности людей, включающая в себя научную деятельность, производство и эксплуатацию средств измерений. Одним из разделов измерительной техники является электроизмерительная техника — область научно-производственной деятельности людей, связанная с научными исследованиями, производством и эксплуатацией электрических средств измерений (электроизмерительных средств), т. е. средств, в которых измерительная информация передается в основном с помощью электрического сигнала. Физическая величина, виды физических величин Объекты материального мира имеют бесчисленное множество различных свойств: объѐм, масса, цвет и т.д. Для многих свойств применимы понятия «больше» – «меньше», например, масса Земли больше массы Луны; вкус лимона более кислый, чем апельсина. Для некоторых свойств применимы не только понятия «больше» – «меньше», но и во сколько раз больше или меньше: масса Земли в 81 раз больше массы Луны (приблизительно). Но нельзя сказать, что лимон во сколько-нибудь раз, например, в два раза кислее апельсина. А почему нельзя? Потому что для массы существует единица измерения – килограмм – а для вкусовых ощущений она ещѐ не создана. Те свойства, для которых существуют единицы измерения, называют ФИЗИЧЕСКИМИ ВЕЛИЧИНАМИ: длина, масса, сила электрического тока и т.д. Измерения физических величин с помощью электрических средств измерений называют электрическими измерениями. Следует отметить, что под измерительной (электроизмерительной) техникой часто понимают только совокупность средств измерений (электрических средств измерений) и способов их применения для получения измерительной информации. Роль измерений в процессе познания окружающего мира. Неразрывная связь измерительной техники, науки и производства Вся история человечества сопровождалась и сопровождается использованием измерений: без них невозможно ни одно научное открытие, изобретение. Измерения служат источником нашего научного знания. «В физике существует только то, что можно измерить» (Макс Планк). 2 Производство промышленной продукции сопровождается большим числом всевозможных измерений. Посредством измерений определяют соответствие изготовленных деталей и изделий в целом требованиям конструкторской документации. Улучшение качества продукции в значительной степени обусловлено тем, насколько хорошо организована измерительная служба предприятия. Нельзя управлять тем или иным процессом без контроля его показателей. Совершенствование техники измерений, проявляющееся в повышении точности измерений и в создании новых методов и приборов, способствует новым достижениям в науке. Так, например, увеличение точности взвешивания на один знак привело к открытию в 1892-1984 гг. нового газа аргона, который до этого, ввиду неточности измерений, обнаружить не удавалось. Введение в экспериментальную практику микроскопа создало исключительные возможности для исследования микроорганизмов и привело к созданию микробиологии. Часто необходимость исследования тех или иных явлений вызывает необходимость создания новой, более совершенной аппаратуры. Новые открытия в науке, в свою очередь, приводят к совершенствованию техники измерений, а также к созданию новых приборов. Первые попытки количественных исследований электрических явлений в природе потребовали создания для этой цели специальных измерительных приборов. Еще в 1744 г. М.И. Ломоносов высказал замечательную мысль о том, что «электричество взвешено, быть может». С этой целью он совместно с Г.В. Рихманом создал первый в мире электроизмерительный прибор – «указатель электрической силы», имевший указатель и шкалу. В дальнейшем по мере развития теории электричества были открыты новые законы, на основании которых разрабатывались новые методы измерений и приборы, совершенствовалась практика измерения. С появлением измерительных приборов и развитием методов измерений возникла новая область науки - метрология - как наука о точных измерениях. Основные понятия и определения В любой науке недопустимо произвольное толкование применяемых терминов. Терминологию в области метрологии регламентирует ГОСТ 16263-70 «ГСИ. Метрология. Термины и определения». Для каждого понятия устанавливается один стандартизованный термин, которому дается соответствующее определение. Понятия и определения, используемые в курсе, регламентированы ГОСТ 16263-70. Измерение – информационный процесс получения опытным путем численного соотношения между данной физической величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу измерения. Результат измерения – именованное число, найденное путем измерения физической величины. (Результат измерения может быть принят за действительное значение измеряемой величины). Погрешность измерения – отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. (Погрешность измерения характеризует точность измерения). Точность измерения – степень близости результата измерения к истинному значению измеряемой величины. Измерительный эксперимент – научно обоснованный опыт для получения количественной информации с требуемой или возможной точностью определения результата измерений. Средство измерений – техническое устройство, используемое в измерительном эксперименте и имеющее нормированные характеристики точности. Метрология - наука об измерениях, методах и средствах их единства и способах достижения требуемой точности. В связи с этим можно сформулировать основные задачи метрологии: теоретические вопросы обеспечения единства измерений и достижения требуемой точности; установление обязательных правил, требований и организационных мероприятий, направленных на достижение этих целей. Различают теоретическую и законодательную метрологию. Теоретическая метрология включает в себя разработку и совершенствование теоретических основ измерений и измерительной техники, научных основ обеспечения единства измерений в стране. Она включает в себя следующие основные проблемы: - развитие общей теории измерений и теории погрешностей, в том числе создание новых методов измерений и разработка способов исключения или уменьшения погрешностей; - создание и совершенствование систем единиц физических величин; - создание и совершенствование системы эталонов; - создание и совершенствование научных основ передачи размеров единиц 3 физических величин от эталонов к рабочим средствам измерений. Законодательная метрология - раздел метрологии, включающий комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, требований и норм, а также другие вопросы, требующие регламентации и контроля со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразие средств измерений. Ее основные задачи: - создание и совершенствование системы государственных стандартов, которые устанавливают правила, требования и нормы, определяющие организацию и методику проведения работ по обеспечению единства и точности измерений; - организация и функционирование соответствующей государственной службы. Контроль – процесс установления соответствия между состоянием объекта контроля или его свойством и заданной нормой. Целью измерения является определение размера величины, причем результат измерений должен выражаться числом. Измерения Измерение - это совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, заключающихся в сравнении (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей с целью получения значения этой величины (или информации о нем) в форме, наиболее удобной для использования. Производством и применением средств измерений для получения измерительной информации, а также научными вопросами, возникающими при этом, занимается отрасль науки и техники, называемая измерительной техникой. Таким образом, измерительная техника рассматривается как область деятельности людей, включающая в себя научную деятельность, производство и эксплуатацию средств измерений. Одним из разделов измерительной техники является электроизмерительная техника — область научно-производственной деятельности людей, связанная с научными исследованиями, производством и эксплуатацией электрических средств измерений (электроизмерительных средств), т. е. средств, в которых измерительная информация передается в основном с помощью электрического сигнала. Измерения физических величин с помощью электрических средств измерений называют электрическими измерениями. Следует отметить, что под измерительной (электроизмерительной) техникой часто понимают только совокупность средств измерений (электрических средств измерений) и способов их применения для получения измерительной информации. Под измерениями понимают способ количественного познания свойств физических объектов. Существуют различные физические объекты, обладающие разнообразными физическими свойствами, количество которых неограниченно. В результате измерений человек получает знания об объектах в виде значений физических величин. Понятие «физическая величина» распространяют на свойства, изучаемые не только в физике, но и в других областях науки и техники. В ГОСТ 16263—70 «Метрология. Термины и определения» дано определение понятия «измерение»: измерение — нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. В этом определении отражены следующие главные признаки понятия «измерение»: а) измерять можно свойства реально существующих объектов познания, т. е. физические величины; б) измерение требует проведения опытов, т. е. теоретические рассуждения или расчеты не могут заменить эксперимент; в) для проведения опытов требуются особые технические средства — средства измерений, приводимые во взаимодействие с материальным объектом; г) результатом измерения является значение физической величины. Принципиальная особенность измерения заключается в отражении размера физической величины числом. Число может быть выражено любым принятым способом, например комбинацией цифр, комбинацией уровней электрических напряжений и т. д. Значение физической величины — количественная оценка измеряемой величины должна быть не просто числом, а числом именованным, т. е. результат измерения должен быть выражен в определенных единицах, принятых для данной величины. Только в этом случае результаты измерений, полученные различными средствами и разными экспериментаторами, сопоставимы. Теоретической основой измерений является метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. 4 Результат измерения, погрешности измерения и их классификация При анализе значений, полученных при измерениях, следует разграничивать два понятия: истинные значения физических величин и их опытные проявления - результаты измерений. Истинные значения физических величин - 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 не только от них, но еще и от метода измерения, от технических средств, с помощью которых проводятся измерения, и от восприятия наблюдателя, осуществляющего измерения. Разница между результатами измерения X' и истинным значением А измеряемой величины называется абсолютной погрешностью измерения: Абсолютная погрешность, взятая с обратным знаком, называется поправкой измерительного прибора. Относительная погрешность измерений: - отношение абсолютной погрешности к истинной величине. Определяется, как правило, в %. . Приведенная погрешность измерения: - отношение абсолютной погрешности к некоторому нормированному значению Х n . Основная погрешность измерительного прибора: - погрешность, возникающая при нормальном использовании прибора. Еѐ можно представить в виде суммы погрешностей - аддитивной и мультипликативной: =a+b*X, где а – аддитивная погрешность; b – мультипликативная погрешность; Х – текущее значение измерений. Аддитивная погрешность – не зависит от чувствительности прибора и является постоянной для всего диапазона измерений. Мультипликативная погрешность – зависит от чувствительности прибора и изменяется пропорционально текущему значению входной величины. Интерпретация сказанного приведена на рисунке 1.1. Но поскольку истинное значение А измеряемой величины неизвестно, то неизвестны и погрешности измерения, поэтому для получения хотя бы приближенных сведений о них приходится в формулу (1) вместо истинного значения подставлять так называемое действительное значение. Действительным значением физической величины - называется ее значение, найденное экспериментально и настолько приближающееся к истинному, что для данной цели оно может быть использовано вместо него. В качестве причин возникновения погрешностей можно отмечать: несовершенство методов измерений, технических средств, применяемых при измерениях, и органов чувств наблюдателя. В отдельную группу следует объединить причины, связанные с влиянием условий проведения измерений. У измерительных приборов, как правило, нормируется основная приведенная погрешность во всем диапазоне измерений, которая называется классом точности прибора. В соответствии с ГОСТ 8.401-80 классы точности выбирают из ряда: 1*10 n ;1.5*10 n ; 2*10 n ; 2.5*10 n ; 4*10 n ; 5*10 n ; 6*10 n , где n=1, 0, -1, -2, -3, ... . 5 Рис. 1.1 У цифровых измерительных приборов погрешность определяется из выражения: где Х к – конечное значение диапазона измерения, Х – текущее значение измеряемой величины, c и d – составляющие погрешности, приведенные на шкале или в паспорте цифрового прибора. Литература 1 осн [4-35], 1 доп [3-12], 3 доп [4-20]. Контрольные вопросы 1. Как называются погрешности, возникающие вследствие отклонения условий работы прибора от нормальных? 2.Как называется погрешность прибора, работающего в нормальных условиях? 3. Что является основной причиной возникновения вариации показаний прибора? 4. Что такое истинное значение измеряемой величины? 5. Что такое действительное значение измеряемой величины? 6. Какие условия работы приборов называются нормальными? Лекция 2. Классификация и характеристики средств измерений. Основные понятия и определения 2.1 Основные понятия и определения В любой науке недопустимо произвольное толкование применяемых терминов. Терминологию в области метрологии регламентирует ГОСТ 16263-70 «ГСИ. Метрология. Термины и определения». Для каждого понятия устанавливается один стандартизованный термин, которому дается соответствующее определение. Понятия и определения, используемые в курсе, регламентированы ГОСТ 16263-70. Измерение – информационный процесс получения опытным путем численного соотношения между данной физической величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу измерения. Результат измерения – именованное число, найденное путем измерения физической величины. (Результат измерения может быть принят за действительное значение измеряемой величины). Погрешность измерения – отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. (Погрешность измерения характеризует точность измерения). Точность измерения – степень близости результата измерения к истинному значению измеряемой величины. ∆=a+bX bX a X ∆ 6 Измерительный эксперимент – научно обоснованный опыт для получения количественной информации с требуемой или возможной точностью определения результата измерений. Средство измерений – техническое устройство, используемое в измерительном эксперименте и имеющее нормированные характеристики точности. |