Конспект лекции. Лекция Введение. Основные понятия и определения. Измерения, результат измерения, погрешности измерения и их классификация, достоверность измерения. Введение
 Скачать 1.55 Mb.
|
|
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. 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. Эталон - средство измерений (или комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и хранения единицы физической величины (кратных либо дольных значений единицы этой величины) с целью передачи ее размера другим средствам измерений данной физической величины Единство измерений - состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Единообразие средств измерений - состояние средств измерений, характеризующееся тем, что они проградуированы в узаконенных единицах и их метрологические свойства соответствуют нормам. Для организации обеспечения единства измерений и единообразия средств измерений в стране создана метрологическая служба. Метрологическая служба - сеть государственных и ведомственных органов и их деятельность, направленная на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений в стране. Эти органы осуществляют надзор за состоянием средств измерений и обеспечивают передачу размера единиц физических величин от эталонов к рабочим средствам измерений. Всякое измерение необходимо предварительно обдумать, составить план проведения измерений. В связи с этим в теории измерений вводится такое понятие, как методика измерений. Методика измерений - детально намеченный распорядок процесса измерений при выбранных схеме и комплексе приборов, включающий правила, последовательность операций, количество измерений и т.д. Применительно к одной и той же схеме измерений и данному комплексу аппаратуры возможны различные методики, и наоборот, для проведения измерений по одной методике можно использовать различные схемы измерений и аппаратуру. 7 В процессе измерений или установки параметров источников сигналов оператор снимает отсчеты или показания. Отсчет - это число, указываемое индикатором прибора. В стрелочных приборах отсчет - это число, написанное у деления шкалы, на котором установилась стрелка; в цифровых - число, наблюдаемое на передней панели в виде светящихся цифр; иногда отсчетом является число, написанное у деления лимба, находящегося против визирной линии. Показание - физическая величина, соответствующая отсчету. Показание получается в результате умножения отсчета на переводной множитель. Например, если отсчет по шкале вольтметра 20 В, переключатель «Множитель» установлен против отметки 0,1 то показание прибора будет 2 В. 2.2 Классификация средств измерений Средство измерений — техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. Данное определение вскрывает суть средства измерений, заключающуюся, во-первых, в «умении» хранить (или воспроизводить) единицу физической величины; во-вторых, в неизменности размера хранимой единицы. Эти важнейшие факторы и обусловливают возможность выполнения измерения (сопоставление с единицей), т.е. «делают» техническое средство средством измерений. Если размер единицы в процессе измерений изменяется больше, чем установлено нормами, таким средством нельзя получить результат требуемой точности. Это означает, что измерять можно лишь тогда, когда техническое средство, предназначенное для этой цели, может хранить единицу, достаточно неизменную по размеру (во времени). Средства измерений классифицируют по назначениям и метрологическим функциям. По назначению средства измерений подразделяются на меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы. Мерой называется средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью. Различают меры: • однозначные — воспроизводящие физическую величину одного размера (например, ЭДС нормального элемента равна 1,0185 В); • многозначные — воспроизводящие физическую величину разных размеров (например, штриховая мера длины); • набор мер — комплект мер разного размера одной и той же физической величины, предназначенных для практического применения как в отдельности, так и в различных сочетаниях (например, набор концевых мер длины); 8 • магазин мер — набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений). Измерительный преобразователь — техническое средство с нормированными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или мерительный сигнал, удобный для обработки. Это преобразование должно выполняться с заданной точностью и обеспечивать требуемую функциональную зависимость между выходной и входной величинами преобразователя. Измерительный преобразователь или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы и др.), или применяется вместе с каким-либо средством измерений, причем класс точности измерительного преобразователя должен быть выше чем у подключаемого к нему прибора или иного средства измерения. Измерительные преобразователи могут быть классифицированы по различным признакам: • по характеру преобразования различают следующиевиды измерительных преобразователей: электрических величин в электрические (шунты, делители напряжения, измерительные трансформаторы и пр.); магнитных величин в электрические измерительные катушки, феррозонды, преобразователи, основанные на эффектах Холла, Гаусса, сверхпроводимости и т.д.);электрических величин в электрические (термо- и тензопреобразователи, реостатные, индуктивные, емкостные и т.д.). По характеру преобразования измерительные преобразователи подразделяются на аналоговые, цифровые и аналого-цифровые; • п о м е с т у в и з м е р и т е л ь н о й ц е п и и ф у н к ц и я м р а з л и чают первичные, промежуточные, масштабные и передающие преобразователи. Масштабные преобразователи (МП) относятся к группе измерительных преобразователей электрических величин в электрические и предназначены для изменения значения размера физической величины в заданное число раз без изменения рода величины. Различают пассивные и активные МП. Пассивные МП строятся на пассивных элементах: резисторах, конденсаторах, катушках индуктивности. Характерным для них является то, что мощность выходного сигнала всегда меньше мощности входного. К этой группе относятся шунты, резистивные, емкостные и индуктивные делители тока и напряжения, измерительные трансформаторы, позволяющие наряду с изменением размера величины осуществлять гальваническое разделение цепей. Активные МП позволяют не только изменить размер величины, но и увеличить мощность выходного сигнала. К ним относятся измерительные усилители и активные преобразователи тока. Измерительные усилители (ИУ) используются для усиления сигналов постоянного и переменного токов. Существуют ИУ низкочастотные (20 Гц...200 кГц) и высокочастотные (до 250 МГц). Они выполняются с нормированной погрешностью коэффициента передачи и позволяют измерять сигналы от 0,1 мВ и 0,3 мкА с погрешностью 0,1... 1 %. 9 Измерительный прибор — средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Измерительные приборы подразделяются: по форме регистрации измеряемой величины — аналоговые и цифровые; по применению- вольтметры, фазометры, осциллографы и т.д.; по назначению — приборы для измерения электрических и неэлектрических (магнитных, тепловых, химических и др.) физических величин; по способу индикации значений измеряемой величи ны — показывающие, сигнализирующие и регистрирующие; по методу преобразования измеряемой величины — непосредственной оценки (прямого преобразования) и сравнения; по способу применения и по конструкции — щитовые, переносные, стационарные; п о з а щ и щ е н н о с т и о т в о з д е й с т в и я в н е ш н и х у с л о вий — обыкновенные, влаго-, газо-, пылезащищенные, герметичные, взрывобезопасные и др. Измерительные установки (ИУ) — совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте. Измерительную установку, применяемую для поверки, называют поверочной установкой. Измерительную установку, входящую в состав эталона, называют эталонной установкой. Некоторые большие измерительные установки называют измерительными машинами, например установка для измерений удельного сопротивления электротехнических материалов; установка для испытаний магнитных материалов. Измерительная система (ИС) — совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта, для измерения одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях. В зависимости от назначения измерительные системы подразделяют на информационные, контролирующие, управляющие и др. По метрологическим функциям средства измерений подразделяют на эталоны и рабочие средства измерений. Эталон единицы физической величины — средство измерений (или комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средства измерений и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке. Конструкция эталона, его свойства и способ воспроизведения единицы определяются природой данной физической величины и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений. 10 Эталоны по соподчинению подразделяются на международные, первичные, вторичные и рабочие. Международный эталон — эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами. Международные эталоны хранятся в Международном бюро мер и весов (МБМВ) в г. Севре (Франция) (служат для сличения с первичными эталонами крупнейших метрологических лабораторий разных стран. Первичные {национальные) эталоны — эталоны, признанные официальным решением служить в качестве исходного для страны. Они ранятся в национальных лабораториях различных стран и служат для калибровки в этих лабораториях вторичных эталонов. Вторичные эталоны — эталоны, получающие размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы. Они хранятся в различных отраслевых испытательных лабораториях и используются для контроля и калибровки рабочих эталонов. Рабочий эталон — эталон, предназначен для передачи размера единицы рабочим средствам измерений. Термин «рабочий эталон» заменил собой термин «образцовое средство измерений» (ОСИ), но сделано в целях упорядочения терминологии и приближения ее к международной. При необходимости рабочие эталоны подразделяют на разряды (1, 2,..., n-й), как это было принято для СИ. В этом случае передачу размера единицы осуществляют через цепочку соподчиненных по разрядам рабочих эталонов. При этом от последнего рабочего эталона в этой цепочке размер единицы передают рабочему средству измерений. Совокупность государственных первичных и вторичных эталонов, являющаяся основой обеспечения единства измерений в стране составляет эталонную базу страны. Число эталонов не является постоянным, а изменяется в зависимости от потребностей экономики страны. Перечень эталонов не совпадает с измеряемыми физическими величинами, хотя прослеживается постепенное увеличение их числа из-за постоянного развития рабочих средств измерений. Эталонная база России насчитывает более 150 государственных эталонов. Она включает в себя эталоны механических величин — массы, длины и времени; электрических величин — тока, емкости, Спряжения; магнитных величин — индуктивности, магнитного Потока; тепловых величин — температуры; световых величин — силы света и др. Рабочее средство измерений — средство измерений, используемое в практике измерений и не связанное с передачей единиц, размера физических величин другим средствам измерений. В практике измерений встречается понятие стандартизованого и нестандартизованного средства измерений: Стандартизованное средство измерений — средство измерений изготовленное и применяемое в соответствии с требованиями государственного 11 или отраслевого стандарта. Обычно стандартизованные средства измерений подвергают испытаниям и вносят в Государственный реестр. Нестандартизованное средство измерений — средство измерений, стандартизация требований к которому признана нецелесообразной. 2. 3 Метрологические характеристики средств измерений Все средства измерений имеют общие свойства, позволяющие сопоставлять их между собой: метрологические, эксплуатационные, информационные и др. Отдельные виды и типы средств измерений обладают своими специфическими свойствами, которые отражаются в соответствующих нормативно-технических документах. Поэтому важно уметь выделять и оценивать составляющую погрешности, вносимую используемыми средствами измерений по их метрологическим характеристикам. Метрологическая характеристика средства измерений — характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат и погрешность его измерений. Для каждого типа средств измерений устанавливают свои метрологические характеристики. Метрологические характеристики, устанавливаемые нормативно-техническими документами, называют нормируемыми метрологическими характеристиками, а определяемые экспериментально — действительными метрологическими характеристиками. К метрологическим характеристикам относятся функция преобразования, чувствительность, цена деления шкалы, порог чувствительности, диапазон измерения, вариация показаний и др. От того, насколько они точно будут выдержаны при изготовлении, насколько они будут стабильны при эксплуатации, зависит точность результатов, получаемая с помощью СИ. Функция преобразования {статическая характеристика преобразования) F(X) — функциональная зависимость между информативными параметрами выходного Y и входного X сигналов средства измерений Y=f(X). Функцию преобразования, принимаемую для средства измерения и устанавливаемую в научно-технической документации на данное средство, называют номинальной функцией преобразования средства. Номинальная статическая характеристика преобразования позволяет рассчитать значение входной величины по значению выходной. Она может задаваться аналитически, таблично или графически. Функция преобразования (уравнение преобразования) может быть линейным или нелинейном и связывает входную и выходную величины с конструктивными параметрами средства измерений. Погрешность средства измерений — важнейшая метрологическая характеристика, которая определяется как разность между показанием средства измерений и истинным (действительным) значением измеряемой величины. Для меры показанием является ее номинальное значение. Чувствительность средства измерений — свойство средства измерений, определяемое отношением изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины. Различают абсолютную и относительную чувствительность. Абсолютную чувствительность определяют по формуле 12 S= Y/ X; (2.1) относительную чувствительность — по формуле S 0 = Y/( X/X); где Y— изменение сигнала на выходе; Х— изменение измеряемой величины; X— измеряемая величина. При нелинейной статической характеристике преобразования чувствительность зависит от X, при линейной характеристике она постоянна. У измерительных приборов при постоянной чувствительности шкала равномерная, т. е. расстояние между соседними делениями шкалы одинаковое. Цена деления шкалы (постоянная прибора) — разность значения величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы средства измерений. Приборы с равномерной шкалой имеют постоянную цену деления. В приборах с неравномерной шкалой цена деления может быть разной на разных участках шкалы и в этом случае нормируется минимальная цена деления. Цена деления шкалы прибора может быть определена через его абсолютную чувствительность: C=I S. (2.2) Порог чувствительности — характеристика средства измерений в виде наименьшего значения изменения физической величины, Начиная с которого может осуществляться ее измерение данным средством. Порог чувствительности выражают в единицах входной величины. Диапазон измерений — область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений. Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно нижним пределом измерений или верхним пределом измерений. В целях повышения точности измерений диапазон измерений средства измерений может быть разбит на несколько поддиапазонов. При переходе с одного поддиапазона на другой некоторые составляющие основной погрешности уменьшаются, что приводит к повышению точности измерений. При нормировании допускают для каждого поддиапазона свои предельные погрешности. Область значений шкалы прибора, ограниченную начальными и конечными значениями шкалы, называют диапазоном показаний Для средства измерений, выдающих результаты измерений в цифровом коде, указывают цену единицы младшего разряда (единицы младшего разряда цифрового отсчетного устройства), вид выходного кода (двоичный, двоично- десятичный) и число разрядов кода. Для оценки влияния средства измерений на режим работы объекта исследования указывают входное полное сопротивление Z вх Входное сопротивление влияет на мощность, потребляемую от объекта исследования средством измерения. Допустимая нагрузка на средство измерений зависит от выходного полного сопротивления Z BbIX средства измерений. Чем меньше выходное сопротивление, тем больше допустимая нагрузка на средство измерений. 13 Вариация выходного сигнала — разность между значениями выходного сигнала, соответствующими одному и тому же действительному значению входной величины при медленном подходе слева и справа к выбранному значению входной величины и неизменных внешних условиях. Вариация показаний — наибольшая вариация выходного сигнала прибора при неизменных внешних условиях. Она является следствием трения и люфтов в узлах приборов, механического и магнитного гистерезиса элементов и др. К метрологическим характеристикам СИ также относятся динамические характеристики, т.е. характеристики инерционных свойств (элементов) измерительного устройства, определяющие зависимость выходного сигнала средства измерений от меняющихся во времени величин: параметров входного сигнала, внешних влияющих величин, нагрузки. К таким характеристикам относят дифференциальное уравнение, описывающее работу средства измерений, переходную и импульсную переходную функции, амплитудные и фазовые характеристики, передаточную функцию. Динамические свойства средства измерений определяют динамическую погрешность. Динамическая погрешность средства измерений — это погрешность средства измерений, возникающая при измерении изменяющейся (в процессе измерений) физической величины. Для каждого вида средств измерений исходя из их специфики назначения нормируется определенный комплекс метрологических характеристик, указываемый в нормативно-технической документации на средства измерений. Нормируемые метрологические характеристики — это совокупность метрологических характеристик данного типа средств измерений. Нормируемые метрологические характеристики, включаемые в этот комплекс, должны отражать реальные свойства средств измерений и их номенклатура должна быть достаточной для оценки инструментальной уставляющей погрешности измерений в рабочих условиях применения средств измерений с той степенью достоверности, которая требуется для решения поставленной измерительной задачи. Общий перечень нормируемых метрологических характеристик средств измерений, формы их представления и способы нормирования установлены в ГОСТе. Кроме метрологических характеристик при эксплуатации средств измерений важны и неметрологические характеристики: показатели надежности, электрическая прочность, сопротивление изоляции, устойчивость к климатическим и механическим воздействиям, время установления рабочего режима и др. |