вопросы по метре. Основные понятия метрологии. Классификация измерений и средств измерений. Принципы и методы измерений
 Скачать 0.74 Mb.
|
|
3. Эталоны и меры, используемые в радиоизмерениях. Измерительные преобразователи и отсчетные устройства. Мера — это средство измерений, предназначенное для воспроизведения и хранения физической величинызаданного размера (значения). В качестве меры в радиоизмерениях, в частности, используются: кварцевый автогенератор (точнее частота колебаний кварцевого генератора) – мера частоты электрических колебаний; измерительный резистор – мера электрического сопротивления; измерительный конденсатор – мера электрической емкости. Меры бывают однозначными и многозначными. Однозначная мера воспроизводит физическую величину одного размера. Например, измерительный резистор, измерительный конденсатор постоянной емкости, ЭДС нормального элемента. Многозначная мера вопроизводит ряд одноименных величин разного размера, например, потенциометр, конденсатор переменной емкости..С наиболее высокой точностью посредством мер воспроизводятся основные физические величины: длина, масса, частота, напряжение и ток. Эталон — средство измерения (или комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и хранение единицы физической величины с наивысшей точностью для данного уровня развития измерительной техники с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений. Классификация, назначение и общие требования к созданию, хранению и применению эталонов устанавливаются соответствующими стандартами. Для ряда единиц эталоны не создаются из-за того, что нет возможности непосредственно сравнивать соответствующие физические величины, например, нет эталона площади. Не создаются эталоны и в том случае, когда единица физической величины воспроизводится с достаточной точностью на основе сравнительно простых средств измерений других физических величин. Конструкция эталона, его физические свойства и способ воспроизведения единицы определяются физической величиной. Эталон должен обладать, по крайней мере, тремя взаимосвязанными свойствами: неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью. Неизменность — свойство эталона удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы физической величины в течение длительного интервала времени. При этом все изменения, зависящие от внешних условий, должны быть строго определенными функциями величин, доступных точному измерению. Воспроизводимость — возможность воспроизведения единицы физической величины с наименьшей погрешностью для существующего уровня развития измерительной техники. Сличаемостъ — возможность сличения с эталоном других средств измерений, нижестоящих по поверочной схеме, в первую очередь вторичных эталонов, с наивысшей точностью для существующего уровня развития техники измерения. Эталоны классифицируют в зависимости от метрологического назначения  Первичный эталон — эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране точностью. Они составляют основу государственной системы обеспечения единства измерений. Первичный эталон может быть: Специальный эталон — эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы в особых условиях (когда первичный эталон нельзя использовать, и прямая передача размера единицы от первичного эталона с требуемой точностью технически неосуществима) и заменяющий для этих условий первичный эталон. например, на высоких и сверхвысоких частотах. Государственный — это первичный (или специальный) эталон, признанный решением уполномоченного Государственного органа в качестве исходного на территории государства. Государственные эталоны создают, хранят и применяют центральные метрологические научные институты страны, а утверждает Госстандарт. Точность воспроизведения единицы должна соответствовать уровню лучших мировых достижений и удовлетворять потребностям науки и техники. Погрешности государственных первичных и специальных эталонов характеризуются неисключенной систематической погрешностью (НСП), случайной погрешностью и нестабильностью. Неисключенная систематическая погрешность описывается границами, в которых она находится; случайная погрешность определяется средним квадратическим отклонением результата измерений при воспроизведении единицы с указанием числа независимых измерений. Нестабильность эталона задается изменением размера единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном, за определенный промежуток времени. Национальный — эталон, признанный официальным решением в качестве исходного для страны. Международный —эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами. Вторичный эталон — эталон, значение которого устанавливают по первичному эталону. Вторичные эталоны являются частью подчиненных средств хранения единиц и передачи их размеров, создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо для организации поверочных работ, а также для обеспечения сохранности и наименьшего износа государственного эталона. По метрологическому назначению вторичные эталоны делятся на эталоны-свидетели, эталоны-копии, эталоны сравнения и рабочие эталоны. Эталон-свидетель служит для проверки сохранности и неизменности государственного эталона и замены его в случае порчи или утраты. В настоящее время только эталон килограмма имеет эталон-свидетель. Эталон-копия предназначен для передачи размера единицы рабочим эталонам. Он создается в случае необходимости проведения большого числа поверочных работ с целью предохранения первичного или специального эталона от преждевременного износа. Эталон-копия представляют собой копию государственного эталона только по метрологическому назначению, поэтому он не всегда является его физической копией. Эталон сравнения применяется для взаимного сличения эталонов, которые по тем или иным причинам нельзя непосредственно сравнивать друг с другом (например, международные сличения эталонов). Рабочие эталоны предназначены для поверки образцовых и наиболее точных рабочих средств измерений. Передача размеров единиц физических величин от эталонов рабочим мерам и измерительным приборам осуществляется с помощью рабочих эталонов. Рабочие эталоны при необходимости подразделяются на 1-й, 2-й и т. д. разряды, определяющие порядок их соподчинения в соответствии с поверочной схемой. Эталоны основных электрических величин: Основной единицей электрических величин является единица силы тока- ампер (А). Производные от ампера единицы электрических величин: •единица электродвижущей силы (ЭДС) и электрического напряжения —-вольт (В); •единица частоты — герц (Гц); •единица электрического сопротивления — ом (Ом); •единица индуктивности и взаимной индуктивности двух катушек — генри (Гн); •единица электрической емкости — фарад (Ф). Эталоны различных физических величин стремятся создавать так, чтобы они образовывали определенную взаимосвязанную систему. Такие связи устанавливаются за счет использования первичных эталонов основных физических величин. Стандарт времени. квантовые и автовые генераторы имеют кварцевый резонатор и стабилизируется обратной цепью на СВЧ(исп. пары цезия); водородные генераторы Эталон длины платиновый стержень явл.эталоном, сейчас используют длину излучения Стандарт напряжения исп.нестационарный эффект Джозефсона, мера напряжения считается с помощью гальванического эл-та с особыми св-ами, его ЭДС строго известно Стандарт сопротивления исп.эффект Холла, мера стандарта – образцовые рез-торы, с большим удел.сопротивлением и малая завис-ть от температуры; мера индуктивности – образцовые катушки Воспроизведение и передача размеров единиц электрических величин Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все существующие средства измерений одной и той же величины. Это достигается путем точного воспроизведения и хранения в специализированных учреждениях установочных единиц физических величин и передачи их размеров применяемым средства измерений. Воспроизведение единицы физической величины — это совокупность операций по материализации единицы физической величины с наивысшей в стране точностью посредством государственного эталона или исходного образцового средства измерений. Воспроизведение основной единицы — это воспроизведение единицы путем создания фиксированной по размеру физической величины в соответствии с определением единицы. Оно осуществляется с помощью государственных первичных эталонов. Воспроизведение производной единицы — это определение значения физической величины в указанных единицах на основании косвенных измерений других величин, функционально связанных с измеряемой. Передача размера единицы — это приведение размера единицы физической величины, хранимой поверяемым средством измерений, к размеру единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном, осуществляемое при их поверке или калибровке. Размер единицы передается «сверху вниз» — от более точных средств измерений к менее точным. Хранение единицы — совокупность операций, обеспечивающая неизменность во времени размера единицы, присущего данному средству измерений. Прямая передача размеров единиц физических величин от эталонов рабочим средствам измерений затруднена из-за их большого парка, находящегося в работе. Поэтому необходима промежуточная категория средств измерений, предназначенная для реализации на практике этой передачи, — образцовые средства измерения. Образцовым средством измерений называется мера, измерительный прибор или преобразователь, утвержденные в качестве образцовых и служащие для поверки по ним других средств измерений. От образцовых средств измерений размеры единиц физических величин передаются далее рабочим мерам и измерительным приборам, т.е. рабочим средствам измерений. Рабочими называют такие средства измерений, которые применяются для измерений, не связанных с передачей размера единиц. Обеспечение правильной передачи размера единиц физических величин во всех звеньях метрологической цепи осуществляется посредством поверочных схем. Поверочная схема — нормативный документ, который устанавливает соподчинение средств измерений, участвующих в передаче размера единицы от эталона к рабочим средствам измерений с указанием методов. Способы поверки средств измерений. Меры поверяются рядом методов: • измерением воспроизводимой мерой величины измерительными приборами соответствующего класса точности; в этом случае поверка часто называется градуировкой; • сличением с более точной мерой посредством компарирующего прибора: сличение мер с помощью компаратора осуществляется методами противопоставления или замещения — общим для этих методов поверки средств измерения является выработка сигнала о наличии разности размеров сравниваемых величин; если подбором образцовой меры этот сигнал будет сведен к нулю, то реализуется нулевой метод измерения; • калибровкой, когда с более точной мерой сличается лишь одна мера набора или одна из отметок шкалы многозначной меры. Поверка измерительных приборов проводится путем: • непосредственного сличения показаний поверяемого и некоторого образцового прибора при измерении одной и той же физической величины; основой данного метода служит одновременное измерение одного и того же значения величины поверяемым и образцовым средствами измерений; разность показаний этих приборов равна абсолютной погрешности поверяемого средства измерений; • непосредственного сравнения измеряемой величины и величины, воспроизводимой образцовой мерой соответствующего класса точности; значения величины на выходе меры выбираются равными оцифрованным отметкам шкалы прибора; наибольшая разность между результатами измерения и соответствующими им размерами мер является в этом случае основной погрешностью прибора. Важным при поверке является выбор оптимального соотношения между допускаемыми погрешностями образцового и поверяемого средства измерений. Измерительные преобразователи -средство измер., позволяющее преобраз. информацию из одного вида в другой; не взаимодействует с операторами. 1) уровня сигнала: делители аттенюаторы( входное и выходное сопротивления постоянны=>позволяет включать их каскадно) шунты  ИМ-измерит.механизм2) усилители: переменного тока (меняют по уровню и форме) постоянного тока (масштабный преобраз.постоянного напряжения) дифференциальные (схема, используемая для усиления разности напряжений двух входных сигналов; в тех случаях, когда слабые сигналы можно потерять на фоне шумов. Примерами таких сигналов являются цифровые сигналы, передаваемые по длинным кабелям.) операционный (пост.или пременного тока в интегр.исполнении; усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления.) измерительный трансформатор(преобраз. уровень переменного сигнала, обычно sin; св-ва близки к св-ам идеального) 4) формы сигнала импульсные эл-ты схем функциональные преобраз-ли (преобр.мгновенные значения сопротивления) выпрямители, детекторы(в пост. напряж.преобраз.сигнал произв.формы) 5) частоты смеситель частот умножитель и делитель частоты(увелич. и уменьш. частоты в целое число раз) детекторы 6) вида сигнала электромеханич.измерит. преобраз-ель 7) датчики(не электрических величин в электрич-ие) 8) одного пар-ра в другой 9) аналогово-цифровой преобраз-тель(сигнал в код) 10) цифро-аналоговый Параметры: 1. метрологические 2. коэф-т преобразования 3. частотная зависимость(коэф.преобраз. от частоты) 4. стабильность коэф. преобраз. 5. линейности коэф. преобраз. (не зависит от уровня входного сигнала) 6. инерционность/быстродействие 7. разрешающая способность и разрядность (для анал.-цифр.) Отсчетные устройства Отсчетное уст-во измерительного прибора (аналогового или цифрового)- часть прибора, предназначенная для отсчитывания его показаний. ОУ аналогового прибора обычно состоит из шкалы и указателя. По типу указателя ОУ подразделяются на стрелочные и световые. В стрелочных ОУ стрелка своим концом перемещается относительно отметок шкалы. Конец стрелки может быть копьевидным или выполненным в виде ножа или натянутой нити. В последних двух случаях шкалы снабжаются зеркалом для устранения погрешности отсчёта, вызванной параллаксом. В световых ОУ роль стрелки выполняет световой луч, отражённый от зеркала, скреплённого с подвижной частью прибора. Световое ОУ позволяет устранить погрешность от параллакса и повысить чувствительность прибора за счёт увеличения длины указателя и удвоения угла его поворота. ОУ цифрового прибора позволяет получить показание непосредственно в цифровой форме. При этом погрешности отсчёта, характерные для ОУ со стрелочным показателем, исключаются. Для создания изображений цифр применяются цифровые индикаторы разл. конструкции. 4. Общие понятия о погрешностях измерений, их классификация. Систематические погрешности, методы их уменьшения. Цель любых измерений – получение результата, то есть оценка истинного значения физической величины. Погрешности появляются из-за несовершенства применяемых методов и средств измерений, непостоянства влияющих на результат измерения физических величин и индивидуальных особенностей экспериментатора. На точность измерений влияют также внешние и внутренние помехи, климатические условия и порог чувствительности измерительного прибора.Результатом прямого однократного измерения является непосредственное показание средства измерения. При этом за погрешность результата измерения принимают погрешность средства измерения. В случае многократных наблюдений результат измерения и его погрешность находят различными методами статистической обработки всех выполненных измерений. Погрешность измерений – это отклонение результата измерений от истинного значения измеряемой величины. Погрешность средства измерения – разность между показаниями средства измерений и действительным значением измеряемой величины. Погрешность – одна из основных характеристик результата измерения. Классификация: по форме количественного выражения: 1) абсолютная погрешность – отклонение результата x от xи – истинного (или хд – действительного) значения измеряемой величины  2) относительная погрешность – отношение абсолютной погрешности к хи (хд)  Дает возможность сравнивать точность измерений. Часто выражается в %. 3) приведенная погрешность  - потенциальная точность измерений, ,где  - нормирующее значение (например, конечное значение шкалы) |