Вопросы для подготовки к экзамену. Общие понятия об измерениях
 Скачать 142 Kb.
|
|
Вопросы для подготовки к экзамену Общие понятия об измерениях. Основные понятия об измерениях. Измерение физической величины – это определение её значения опытным путём. Количественный результат, то есть результат измерений, получают, сравнивая найденное значение физической величины с единицей её измерения, то есть величиной того же рода, принятой за единицу. 2 Схема процесса измерения. Для производства измерений на реальных объектах ИУ располагаются в различных точках пространства и соединяются между собой соответствующими линиями связи. При измерении на расстоянии используются дистанционные измерительные системы, в которых расстояния между отдельными измерительными устройствами достигают нескольких десятков и даже сотен метров. В общем случае структурную схему измерительной системы, можно представить в виде последовательной цепи нескольких ИУ (преобразователей). В структурных схемах измерительных систем можно выделить цепочки, состоящие из измерительных преобразователей, каналов связи и 1 1 2 4 4 5 рения Объект изме ВМ Человек ИП. Таким образом, измерительная система рассматривается как последовательное соединение нескольких преобразователей. Для измерительных систем, как и для измерительных устройств должны быть нормированы метрологические характеристики. Однако до сих пор не найдено теоретически обоснованное решение задачи нормирования метрологических характеристик измерительных систем. 3 Средства измерений. Их метрологические характеристики. Сре́дство измере́ний — 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. 4 Основное уравнение измерения. Основное уравнение измерений имеет вид: Q=q*v {\displaystyle Q=q\cdot v}  где: Q — измеряемая физическая величина; q — её числовое представление в принятых единицах измерения физической величины Q; v — принятая единица измерения физической величины Q. 5 Погрешности измерений. Погре́шность измере́ния — отклонение измеренного значения величины от её истинного (действительного) значения. Погрешность измерения является характеристикой точности измерения. Выяснить с абсолютной точностью истинное значение измеряемой величины, как правило, невозможно, поэтому невозможно и указать величину отклонения измеренного значения от истинного. Это отклонение принято называть ошибкой измерения. 6 Понятие об аналоговых и цифровых приборах. В радиоэлектронных цепях к вольтметрам, как и другим измерительным приборам, предъявляются повышенные требования, такие как ничтожно малое потребление мощности, частотный диапазон измеряемого напряжения от единиц герц до сотен мегагерц, и в то же время слабая зависимость показаний от частоты измеряемого напряжения, высокая чувствительность и т. д. Этим требованиям не соответствуют стрелочные вольтметры, которые осуществляют непосредственную оценку (прямой отсчет) измеряемого напряжения. Вышеперечисленным требованиям удовлетворяют аналоговые электронные вольтметры, использующие усилители измеряемых напряжений. Характерной чертой измерительных приборов со стрелочным указателем является некоторая субъективность в измерениях при определении положения стрелки на шкале прибора. Цифровые измерительные приборы (ЦИП) с цифровыми индикаторами лишены этого недостатка. Они широко применяются для измерения частоты, интервалов времени, напряжения и т.д. +ЦИП преобразуют измеряемую величину в дискретные или квантовые значения, осуществляют цифровое кодирование и выдачу результатов измерений в цифровом виде. К преимуществам ЦИП можно отнести: достаточно широкий диапазон измеряемых величин с высокой точностью измерений, возможность представления результатов измерения в цифровом виде, запись их цифропечатающим устройством, а также ввод в ЦВМ с последующей обработкой получаемой информации и дальнейшим ее использованием. 7 Классификация измерений. Классификация средств измерений может проводиться по следующим критериям. 1. По характеристике точности измерения делятся на равноточные и неравноточные. Равноточными измерениями физической величины называется ряд измерений некоторой величины, сделанных при помощи средств измерений (СИ), обладающих одинаковой точностью, в идентичных исходных условиях. Неравноточными измерениями физической величины называется ряд измерений некоторой величины, сделанных при помощи средств измерения, обладающих разной точностью, и (или) в различных исходных условиях. 2. По количеству измерений измерения делятся на однократные и многократные. Однократное измерение - это измерение одной величины, сделанное один раз. Однократные измерения на практике имеют большую погрешность, в связи с этим рекомендуется для уменьшения погрешности выполнять минимум три раза измерения такого типа, а в качестве результата брать их среднее арифметическое. Многократные измерения - это измерение одной или нескольких величин, выполненное четыре и более раз. Многократное измерение представляет собой ряд однократных измерений. Минимальное число измерений, при котором измерение может считаться многократным, - четыре. Результатом многократного измерения является среднее арифметическое результатов всех проведенных измерений. При многократных измерениях снижается погрешность. 3. По типу изменения величины измерения делятся на статические и динамические. Статические измерения - это измерения постоянной, неизменной физической величины. Примером такой постоянной во времени физической величины может послужить длина земельного участка. Динамические измерения - это измерения изменяющейся, непостоянной физической величины. 4. По предназначению измерения делятся на технические и метрологические. Технические измерения - это измерения, выполняемые техническими средствами измерений. Метрологические измерения - это измерения, выполняемые с использованием эталонов. 5. По способу представления результата измерения делятся на абсолютные и относительные. Абсолютные измерения - это измерения, которые выполняются посредством прямого, непосредственного измерения основной величины и (или) применения физической константы. Относительные измерения - это измерения, при которых вычисляется отношение однородных величин, причем числитель является сравниваемой величиной, а знаменатель - базой сравнения (единицей). Результат измерения будет зависеть от того, какая величина принимается за базу сравнения. 6. По методам получения результатов измерения делятся на прямые, косвенные, совокупные и совместные. Прямые измерения - это измерения, выполняемые при помощи мер, т. е. измеряемая величина сопоставляется непосредственно с ее мерой. Примером прямых измерений является измерение величины угла (мера - транспортир). Косвенные измерения - это измерения, при которых значение измеряемой величины вычисляется при помощи значений, полученных посредством прямых измерений, и некоторой известной зависимости между данными значениями и измеряемой величиной. Совокупные измерения - это измерения, результатом которых является решение некоторой системы уравнений, которая составлена из уравнений, полученных вследствие измерения возможных сочетаний измеряемых величин. Совместные измерения - это измерения, в ходе которых измеряется минимум две неоднородные физические величины с целью установления существующей между ними зависимости. 8 Схема прибора прямого преобразования. Измерительным прибором прямого преобразования называется прибор, в котором предусмотрено одно или несколько преобразований сигнала измерительной информации в одном направлении. Типовая структурная схема прибора прямого преобразования приведена на рисунке 3.1.  Рисунок 3.1 – Структурная схема прибора прямого преобразования Прибор состоит из последовательно соединенных измерительных преобразователей П1,П2…Пn и измерительного устройства (ИУ), тип которого определяется принадлежностью прибора к той или иной классификационной группе. Входной сигнал Х последовательно преобразуется в первичном и промежуточных преобразователях в выходной сигнал Хn. Если все преобразования линейные звенья, а измерения являются статическими, то Хn = К1 ∙ К2 ∙ ∙ ∙ Кn ∙ Х, где К1 = Х1/Х; К2 = Х2/Х1 ∙ ∙ ∙ Кn = Хn/Хn-1 – коэффициенты преобразования каждого из преобразователей. Показание прибора α = Sиу ∙ Хn, где Sиу - чувствительность измерительного устройства. Таким образом величина чувствительность прибора определяется значением чувствительности измерительного прибора и результирующим коэффициентом преобразования. S = К1 ∙ К2 ∙ ∙ ∙ Кn ∙ Sиу = К ∙ Sиу. Отсюда следует, что изменение коэффициента преобразования любого преобразователя приводит к изменению показаний прибора. Таким образом, в приборах прямого преобразования происходит суммирование погрешностей, вносимых отдельными преобразователями, что затрудняет изготовление приборов высокой точности. 9 Принципы и методы измерения. Метод измерений – это прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерения. Метод измерений обычно обусловлен устройством средств измерений. Принцип измерений – это физическое явление или эффект, положенное в основу измерений. 10 Схема цифрового прибора.  11 Метод непосредственной оценки. Метод непосредственной оценки дает значение измеряемой величины непосредственно без каких-либо дополнительных действий со стороны лица, проводящего измерение, и без вычислений, кроме умножения его показаний на постоянную измерительного прибора или цену деления. 12 Методы сравнения с мерой. Метод сравнения с мерой – метод измерения, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. + Методы сравнения в зависимости от наличия или отсутствия при сравнении разности между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, подразделяют на нулевой и дифференциальный . 13 Косвенные измерения. Косвенные измерения – это измерения, при которых определение искомого значения физической величины производится на основании результатов прямых измерении других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. 14 Прямой метод измерения. Прямой метод измерения - измерение искомой величины, при котором все ее значение или отклонение непосредственно отсчитывается по отсчетным устройствам прибора. 15 Приборы комбинированного преобразования. Действие данных приборов основано на том, что при пропускании тока через катушку, механически соединенную со стрелкой и помещённую в постоянное магнитное поле, создается вращающий момент, который поворачивает катушку на угол, прямо пропорциональный значению тока. При подключении к прибору соответствующим образом резисторов можно измерять напряжения и сопротивления. 16 Нулевой метод измерения. Нулевой метод измерений, один из вариантов метода сравнения с мерой, в котором на нулевой прибор воздействует сигнал, пропорциональный разности измеряемой величины и известной величины, причём эту разность доводят до нуля. 17 Емкостные датчики. Ёмкостный датчик — преобразователь параметрического типа, в котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение ёмкости конденсатора. Специальная схема преобразует изменение ёмкости в пороговый сигнал датчика (например сухой контакт). 18 Дифференциальный метод. Дифференциальный метод обеспечивает снижение погрешности измерений. Для борьбы с систематическими погрешностями полезен метод замещения. Метод замещения - метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают величиной, воспроизводимой мерой. Поскольку эти измерения делают одним прибором в одинаковых условиях, систематическая погрешность измерений может быть в значительной степени скомпенсирована. 19Схема электромагнитного преобразования.  20 Классификация измерений. Классификация средств измерений может проводиться по следующим критериям. 1. По характеристике точности измерения делятся на равноточные и неравноточные. Равноточными измерениями физической величины называется ряд измерений некоторой величины, сделанных при помощи средств измерений (СИ), обладающих одинаковой точностью, в идентичных исходных условиях. Неравноточными измерениями физической величины называется ряд измерений некоторой величины, сделанных при помощи средств измерения, обладающих разной точностью, и (или) в различных исходных условиях. 2. По количеству измерений измерения делятся на однократные и многократные. Однократное измерение – это измерение одной величины, сделанное один раз. Однократные измерения на практике имеют большую погрешность, в связи с этим рекомендуется для уменьшения погрешности выполнять минимум три раза измерения такого типа, а в качестве результата брать их среднее арифметическое. Многократные измерения – это измерение одной или нескольких величин, выполненное четыре и более раз. Многократное измерение представляет собой ряд однократных измерений. Минимальное число измерений, при котором измерение может считаться многократным, – четыре. Результатом многократного измерения является среднее арифметическое результатов всех проведенных измерений. При многократных измерениях снижается погрешность. 3. По типу изменения величины измерения делятся на статические и динамические. Статические измерения – это измерения постоянной, неизменной физической величины. Примером такой постоянной во времени физической величины может послужить длина земельного участка. Динамические измерения – это измерения изменяющейся, непостоянной физической величины. 4. По предназначению измерения делятся на технические и метрологические. Технические измерения – это измерения, выполняемые техническими средствами измерений. Метрологические измерения – это измерения, выполняемые с использованием эталонов. 5. По способу представления результата измерения делятся на абсолютные и относительные. Абсолютные измерения – это измерения, которые выполняются посредством прямого, непосредственного измерения основной величины и (или) применения физической константы. Относительные измерения – это измерения, при которых вычисляется отношение однородных величин, причем числитель является сравниваемой величиной, а знаменатель – базой сравнения (единицей). Результат измерения будет зависеть от того, какая величина принимается за базу сравнения. 6. По методам получения результатов измерения делятся на прямые, косвенные, совокупные и совместные. Прямые измерения – это измерения, выполняемые при помощи мер, т. е. измеряемая величина сопоставляется непосредственно с ее мерой. Примером прямых измерений является измерение величины угла (мера – транспортир). Косвенные измерения – это измерения, при которых значение измеряемой величины вычисляется при помощи значений, полученных посредством прямых измерений, и некоторой известной зависимости между данными значениями и измеряемой величиной. Совокупные измерения – это измерения, результатом которых является решение некоторой системы уравнений, которая составлена из уравнений, полученных вследствие измерения возможных сочетаний измеряемых величин. Совместные измерения – это измерения, в ходе которых измеряется минимум две неоднородные физические величины с целью установления существующей между ними зависимости. 21 Понятие о структурных схемах приборов. Структурная. На структурных схемах осуществляется общее изображение устройства, все компоненты или отдельные узлы которого выполняются в виде блоков, обозначающих оборудование, а связи между блоками могут говорить о тех или иных операциях, связующих отдельные блоки между собой. 22 Метрологические характеристики средств измерений. Метрологические характеристики — это характеристики свойств средств измерений, оказывающие влияние на результат измерения и его погрешности. Характеристики, устанавливаемые нормативно-техническими документами, называются нормируемыми, а определяемые экспериментально — действительными. 23 Аналоговые приборы. Аналоговое устройство, аналоговая аппаратура — аппаратура, предназначенная для работы с аналоговыми сигналами. Аналоговые электронные устройства (АЭУ) - это устройства усиления и обработки Аналоговых электрических сигналов, выполненные на основе электронных приборов. 24 Цифровые приборы. Цифровое устройство (англ. Digital device) - техническое устройство или приспособление, предназначенное для получения и обработки информации в цифровой форме, используя цифровые технологии. Физически цифровое устройство может быть выполнено на различной элементной базе: электромеханической (на электромагнитных реле), электронной (на диодах и транзисторах), микроэлектронной (на микросхемах), оптической. В последнее время, ввиду достижений микро- и наноэлектроники, широкое распространение получили цифровые устройства на микроэлектронной элементной базе. 25 Статические и динамические измерения. Динамическое измерение -- измерение величины, размер которой изменяется с течением времени. Быстрое изменение размера измеряемой величины требует ее измерения с точнейшим определением момента времени. Например, измерение расстояния до уровня поверхности Земли с воздушного шара или измерение постоянного напряжения электрического тока. По существу динамическое измерение является измерением функциональной зависимости измеряемой величины от времени [6]. Признаком, по которому измерение относят к статическому или динамическому, является динамическая погрешность при данной скорости или частоте изменения измеряемой величины и заданных динамических свойствах СИ. Предположим, что она пренебрежимо мала (для решаемой измерительной задачи), в этом случае измерение можно считать статическим. При невыполнении указанных требований оно является динамическим. Статическое измерение -- измерение величины, которая принимается в соответствии с поставленной измерительной задачей за неизменяющуюся на протяжении периода измерения. Например: 1) измерения размеров тела; 2) измерения постоянного давления; 3) измерения пульсирующих давлений, вибраций; 4) измерение линейного размера изготовленного изделия при нормальной температуре можно считать статическим, поскольку колебания температуры в цехе на уровне десятых долей градуса вносят погрешность измерений не более 10 мкм/м, несущественную по сравнению с погрешностью изготовления детали. Поэтому в этой измерительной задаче можно считать измеряемую величину неизменной. При калибровке штриховой меры длины на государственном первичном эталоне термостатирование обеспечивает стабильность поддержания температуры на уровне 0,005 °С. Такие колебания температуры обусловливают в тысячу раз меньшую погрешность измерений -- не более 0,01 мкм/м. Но в данной измерительной задаче она является существенной, и учет изменений температуры в процессе измерений становится условием обеспечения требуемой точности измерений, поэтому эти измерения следует проводить по методике динамических измерений. |