1 Лекция 1. Лекция введение основные понятия и термины метрологии. Воспроизведение физических величин и единство измерений
 Скачать 1.26 Mb.
|
|
составляющая погрешности измере- ния, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повтор- ных измерениях одной и той же величины. Выявление и оценка систематических погрешностей являются наиболее трудоемким моментом любого измерения и часто связаны с необходимостью проведения исследований. Обнаруженная и оцененная систематическая по- грешность исключается из результата введением поправки. В зависимости от причины возникновения различают следующие систематические погреш- ности. Погрешность метода (теоретическая погрешность) измерений состав- ляющая погрешности измерения, обусловленная несовершенством метода измерений. Здесь необходимо учитывать тот факт, что метод измерения, по определению, включает в себя и принцип измерения. Рассматриваемая погреш- ность определяется в основном несовершенством принципа измерения и, в част- ности, недостаточной изученностью явления, положенного в основу измерения. Инструментальная погрешность измерения — составляющая погреш- ность измерения, зависящая от погрешности применяемых средств измере- ний. Данная погрешность имеет несколько составляющих, наиболее важные из которых определяются несовершенством конструкции (или схемы), технологии изготовления средств измерений, постепенным их износом и старением матери- алов, из которых эти средства измерений изготовлены. Погрешность установки является следствием неправильности уста- новки средств измерений. Погрешность от влияющих величин является следствием воздействия на объект и средством измерений внешних факторов (тепловых и воздуш- ных потоков, магнитных, электрических, гравитационных и других полей, атмосферного давления, влажности воздуха, ионизирующего излучения). Субъективная погрешность обусловлена индивидуальными свойствами человека, выполняющего измерения. Причиной ее являются укоренившиеся не- правильные навыки выполнения измерений. К этой систематической погрешно- сти относятся, например, погрешность из-за неправильного отсчитывания деся- тых долей делений шкалы прибора, погрешности из-за разной у различных лю- дей скорости реакции и т. п. По характеру проявления систематические погрешности подразделя- ют на постоянные и переменные . Постоянные погрешности не изменяют своего значения при повторных измерениях. Причинами этих погрешностей являются: неправильная градуиров- ка или юстировка средств измерений, неправильная установка начала отсчета и т.д. 20 Переменные погрешности при повторных измерениях могут прини- мать различные значения. Если переменная погрешность при повторных изме- рениях возрастает или убывает, то ее называют прогрессивной. Переменная по- грешность может изменяться при повторных измерениях периодически или по сложному закону. Причинами возникновения переменной систематической погрешности яв- ляются: действие внешних факторов и особенности конструкций средств изме- рений. Случайная погрешность измерения — составляющая погрешности из- мерения, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях од- ной и той же величины. Случайная погрешность определяется факторами, проявляющимися нерегу- лярно с изменяющейся интенсивностью. Значение и знак случайной погрешно- сти определить невозможно, так как в каждом опыте причины, вызывающие по- грешность, действуют неодинаково. Случайная погрешность не может быть ис- ключена из результата измерений. Однако проведением ряда повторных измере- ний и использованием для их обработки методов математической статистики определяют значение измеряемой величины со случайной погрешностью, мень- шей, чем для одного измерения. Кроме этой погрешности могут иметь место грубые погрешности и про- махи. Грубой погрешностью называют погрешность измерения, существенно превышающую ожидаемую при данных условиях. Причинами грубых погреш- ностей могут являться неисправность средств измерений, резкое изменение условий измерений и влияющих величин. Промах — погрешность измерения, которая явно и резко искажает ре- зультат. Промах является случайной субъективной ошибкой. Его появление — следствие неправильных действий экспериментатора. Грубые погрешности и промахи обычно исключаются из эксперименталь- ных данных, подлежащих обработке. Отдельное значение случайной погрешности предсказать невозможно. Со- вокупность же случайных погрешностей какого-то измерения одной и той же величины подчиняется определенным закономерностям, которые явля- ются вероятностными. Они описываются в метрологии с помощью методов теории вероятностей и математической статистики. При этом физическую вели- чину, результат измерения которой содержит случайную погрешность, и саму случайную погрешность рассматривают как случайную величину. 21 4.НОРМИРОВАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ Средство измерения (СИ) — это техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, вос- производящее и(или) хранящее единицу ФВ, размер которой принимается неиз- менным (в пределах установленной пофешности) в течение известного интерва- ла времени. Под метрологическими характеристиками (MX) понимают такие характеристики СИ, которые позволяют судить об их пригодности для измере- ний в известном диапазоне с известной точностью. В отличие от СИ приборы или вещества, не имеющие нормированных MX, называют индикаторами. СИ — это техническая основа метрологического обеспечения. Мера является средством восприятия физической величины заданного размера. Измерительным прибором называется средство измерения, предназна- ченное для выработки сигнала измерительной информации в форме, до- ступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные приборы подразделяются на: аналоговые приборы, показания которых являются непрерывной функцией измеряемой величины; цифровые приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации, представленной в цифровой форме; показывающие приборы, допускающие только отсчитывание показаний; регистрирующие приборы, в которых предусмотрена регистрация показа- ний; самопишущие приборы, предусматривающие запись показаний в виде диа- граммы; приборы сравнения, предназначенные для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно (например, рав- ноплечие весы, компаратор для линейных мер); интегрирующие приборы, в которых измеряемая величина интегрируется по времени или по другой независимой переменной (например, счетчики расхо- да жидкости, электроэнергии); суммирующие приборы, показания которых функционально связаны с суммой двух или нескольких величин, подводимым к ним по различным кана- лам. В состав измерительных приборов входят измерительные преобразовате- ли, предназначенные для формирования сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хране- ния, но не поддающиеся непосредственному восприятию наблюдателем. Разли- 22 чают измерительные преобразователи первичные, промежуточные и пере- дающие. Первичным измерительным преобразователем называется преобразо- ватель, который является первым в измерительной цепи, к которому подво- дится измеряемая величина. Первичными преобразователями являются, например, термопара в цепи термоэлектрического термометра, сужающее устройство расходомера. Промежуточный преобразователь занимает в измерительной цепи ме- сто после первичного. Передающий преобразователь предназначен для дистанционной пере- дачи сигнала измерительной информации. Например, пневматический, ча- стотный и индуктивный передающие преобразователи. В измерительной технике различают также измерительные установки, представляющие собой совокупность функционально объединенных средств из- мерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, предназначенных для формирования сигналов из- мерительной информации в виде, удобном для непосредственного восприятия наблюдателем, и расположенных в одном месте. Примером измерительной установки является хроматографическая уста- новка, содержащая пробоотборное устройство, разделительную колонку, детек- тор, регистрирующий прибор и различные вспомогательные устройства, обеспе- чивающие работу установки в определенном режиме. В современных САУ технологическими процессами широко применяются измерительные системы, отличающиеся от измерительных установок возмож- ностью формирования сигналов измерительной информации в виде, удобном для автоматической обработки, передачи и использования в САУ. В зависимости от условий применения измерительных устройств различают основную и дополнительную погрешности (см.рис.). Основной погрешностью средства измерений называют погрешность при использовании его в нормальных условиях. Нормальными условиями при- менения средств измерений называют условия, при которых влияющие величи- ны имеют номинальные значения или находятся в пределах нормальной обла- сти значений. Нормальные условия применения указываются в стандартах или технических условиях на средства измерений. При использовании средств изме- рений в нормальных условиях считают, что влияющие на них величины практи- чески никак не изменяют их характеристики. Дополнительной погрешностью измерительного преобразователяназы- вают изменение его погрешности, вызванной отклонением одной из влияющих величин от ее нормативного значения или выходом ее за пределы нормальной 23 области значений. Дополнительная погрешность может быть вызвана изменени- ем сразу нескольких влияющих величин. Иными словами, дополнительная погрешность – это часть погрешности, ко- торая добавляется к основной в случаях, когда измерительное устройство при- меняется в рабочих условиях. Рабочие условияобычно таковы, что изменения значений влияющих вели- чин для них существенно больше, чем для нормальных условий, т. е. область ра- бочих (часть этой области называют расширенной областью) условий включает в себя область нормальных условий. По форме представления принято различать абсолютную, относительную и приведенную погрешности измерительных устройств (рис. 2.1). Для измери- тельных приборов и преобразователей определение этих погрешностей специ- фично. У измерительных приборов имеется шкала, отградуированная в едини- цах входной величины, либо шкала, отградуированная в условных единицах с известным множителем шкалы, поэтому результат измерения представляется в единицах входной величины. Это обусловливает простоту определения погреш- ности измерительных приборов. 24 Классификация погрешностей измерительных устройств От характера про- явления при по- вторных примене- ниях измеритель- ных устройств От условий применения измерительных устройств От режима применения измерительных устройств От формы представления От значения измеряемой величины Погрешности измерительных устройств 25 Абсолютной погрешностью измерительного прибора называют разность показаний прибора Х п и истинного (действительного) Х д значения измеряемой ве- личины: = Х п – Х д (2) Действительное значение определяется с помощью образцового прибора или вос- производится мерой. Относительной погрешностью измерительного прибора называют отно- шение абсолютной погрешности измерительного прибора к действительному зна- чению измеряемой величины. Относительную погрешность выражают в процен- тах: = 100/Х д (3) Приведенной погрешностью измерительного прибора называют отноше- ние абсолютной погрешности измерительного прибора к нормирующему значе- нию Х N . Приведенную погрешность также выражают в процентах: = 100/Х N (4) В качестве нормирующего значения используется верхний предел измерений, диапазон измерений и др., т.е. = 100/(X max – X min ). (5) У измерительных преобразователей результаты измерений представляются в единицах выходной величины. В связи с этим у преобразователей принято различать: погрешности по входу и выходу. При определении этих погрешно- стей необходимо знать приписанную данному измерительному преобразователю функцию преобразования (градуировочную характеристику) Y = f(Х). (6) Абсолютной погрешностью измерительного преобразователя по выходу у называют разность между действительным значением величины Y п на выходе преобразователя, отображающей измеряемую величину, и значением величины Y д на выходе, определяемым по действительному значению величины на входе с по- мощью градуировочной характеристики, приписанной преобразователю: у = Y п – Y д , (7) где Y п – значение выходного сигнала преобразователя при определенном значе- нии входного сигнала; Y д – значение выходного сигнала, который должен выраба- тываться преобразователем, лишенным погрешности, при том же значении вход- 26 ного сигнала. Значение Y п определяют с помощью образцового средства измере- ния, а значение Y д , рассчитывают с помощью функции преобразования по дей- ствительному значению входной величины Х д , которое воспроизводится мерой или определяется с помощью соответствующего образцового средства измерений: Y д = f (Х д ). (8) Абсолютной погрешностью измерительного преобразователя по входу х называют разность между значением Х п , величины на входе преобразователя, определяемым по действительному значению Y д , величины на его выходе с по- мощью градуировочной характеристики, приписанной преобразователю, и дей- ствительным значением Х д величины на входе преобразователя: х = Х п – Х д . (9) Значение Х д определяется с помощью соответствующего образцового сред- ства измерений или воспроизводится мерой, а значение Х п определяется по значе- нию Y п выходного сигнала с помощью функции преобразования, решенной отно- сительно Х, т.е. Х п = (Y п ) (10) ( – символ обратный функции преобразования). Таким образом, х = (Y п ) – Х д . (11) Относительной погрешностью измерительного преобразователя по вхо- ду (выходу)называют отношение абсолютной погрешности измерительного пре- образователя по входу (выходу) к действительному значению величины на входе (к значению величины на выходе, определяемому по действительному значению величины на входе по градуировочной характеристике, приписанной преобразо- вателю): 100 100 д д n д х х Х Х Y Х , (12) 100 ) ( ) ( 100 Д Д n Д y Х f Х f Y Х y , (13) где х и у – относительная погрешность по входу и выходу соответственно. Приведенной погрешностью измерительного преобразователя по входу (выходу) называют отношение абсолютной погрешности к нормирующему значе- нию входного Х п (выходного Y п ) сигнала |