УЧ-Метод пособие ЭЛ ИЗМЕРЕНИЯ. Учебнометодическое пособие по учебной дисциплине электрические измерения
 Скачать 6.36 Mb.
|
|
Тема 1.1 Основные понятия и определения Научной основой измерений является метрология. Термин метрология произошел от греческого метро - мера и логос - учение, слово. В современном понимании это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах получения требуемой точности. Измерение - нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальной технических средств. Под измерениями понимают процесс физического сравнивания данной величины с некоторыми ее значением, принятыми за единицу измерения. Единство измерений - состояние измерения, при которых их результаты выражены в узаконенных единицах, а погрешность известна заданной точностью. Погрешность измерения - отклонение от результатов измерения от истинного значения измеряемой величины. Чем меньше погрешность, тем точнее измерение. Точность измерений - качество измерения отражающих близость результата к истинному значению измеряемой величины. Средство измерения - техническое средство используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства. Физическая величина. Система Си Физическая величина - свойство общее в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуально для каждого из них. Значение физической величины - оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Различают истинные и действительные значения физической величины. Истинное значение – значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношении соответствующие свойства объекта. Действительное значение - значение физической величины, найденное экспериментальным путем и на столько приближенное к истинному, что для данной цели может быть взято вместо его. Единица физической величины - физическая величина, которая по определению присвоено численное значение равной 1. Таблица 1.1 Производные единицы электрических и магнитных величин Величина Единица Обозначение Выражение через другую единицу русское международное Работа, энергия, количество теплоты. джоуль Дж J Н*М Мощность Ватт Вт W Дж/с Количеств о электричества Кулон Кл С А*с Электр.напряже ние, разность потенциалов, ЭДС Вольт В V Вт/А Напряжен ие электрического поля вольт/метр В/м V/m --- Электрическое сопротивление Ом Ом Ω В/А Электриче ская емкость фарад Ф F Кл/В Поток магнитной индукции Вебер Вб Wb B*c Индуктивность Генри Гн Н Вб/А Магнитная индукция Тесла Тл Т Вб/м 2 Напряжение магнитного поля Ампер на метр А/м А/m --- Магнито- двужущая сила ампер А А --- Частота герц Гц Н z c -1 Таблица 1.2- Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц СИ Множ итель Приставка Обозначение приставки международное русское 10 18 Экса E Э 10 15 Пета P П 10 12 Тера T Т 10 9 Гига G Г 10 6 Мега M М 10 3 Кило K К 10 2 Гекта N Г 10 1 Дека Da Да 10 -1 Деци D Д 10 -2 Санти C С 10 -3 Мили M М 10 -6 Микро мк 10 -9 Нано n н 10 -12 Пико p п 10 -15 Фемто F Ф 10 -18 атто a А Основные характеристики измерений Основными характеристиками измерений являются: Принцип измерений– физическое явление или их совокупность, положенные в основу измерений. Метод измерений – совокупность принципов и средств измерений. Точность измерений – характеристика измерения, отражающая близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Количественно точность выражается величиной, обратной модулю относительной погрешности. Достоверность измерений – характеристика качества измерений, разделяющая все результаты на достоверные и недостоверные в зависимости от того, известны или неизвестны вероятностные характеристики их отклонений от истинных значений соответствующих величин. Правильность измерений – качество измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей, т. е. погрешностей, которые остаются постоянными или закономерно изменяются в процессе измерения. Правильность измерений зависит от того, насколько верно (правильно) были выбраны методы и средства измерений. Результат измерений– значение физической величины, полученное путем ее измерения. По способу выражения результатов измерения подразделяются на: 1) абсолютные, которые основаны на прямых или косвенных измерениях нескольких величин и на использовании констант, и в результате которых получается абсолютное значение величины в соответствующих единицах, 2) относительные, которые не позволяют непосредственно выразить результат в узаконенных единицах, но позволяют найти отношение результата измерения к какой-либо одноименной величине с неизвестным в ряде случаев значением. Например, это может быть относительная влажность, относительное давление, удлинение и т. д. Объект измерения – реальный физический объект, свойства которого характеризуются одной или несколькими измеряемыми физическими величинами. Шкала физической величины – упорядоченная последовательность значений физической величины, принятая по результатам точных измерений. Отметка шкалы – знак на шкале прибора (черточка, точка), соответствующий некоторому значению физической величины. Промежуток между соседними отметками называют делением шкалы. Цена деления шкалы – разность значений измеряемой величины, соответствующих соседним отметкам шкалы. Поверка – определение специальным органом метрологической службы метрологических характеристик средства измерения и установление его пригодности к применению по результатам контроля их соответствия предъявляемым требованиям. Основная характеристика, определяемая при поверке прибора, его погрешность. Виды и методы измерений. Средства измерений Виды измерений -прямые -косвенные -совокупные -совместные Прямые – измеряют результат , который получают непосредственно из опытных данных. Косвенные - искомое значение физической величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами , подвергаемыми прямым измерениям. При совокупных измерениях одновременно измеряют несколько одноименных величин, а их искомое значение находят решением системы уравнений. Совместные измерения - одновременно измеряют две или несколько разноименных величин, для нахождения зависимости между ними. Методы измерений Методы измерений - способы определения значения физической величины опытным путем с помощью эксперимента. Методы делятся: -непосредственной оценки -сравнение с мерой: а) противопоставления б) дифференцированные в) нулевой г) замещения д) совпадения Непосредственной оценки - измеряемая величина определяется непосредственно по шкале измерительного прибора. Сравнение с мерой - измеряемая величина сравнивается с известной величиной воспроизводимой мерой. Противопоставления - измеряемая и воспроизводимые мерой величины одновременно воздействуют на прибор сравнения с помощью которого устанавливают соотношение между ними. Дифференциальный - на прибор воздействуют разность измеренной величины и величины воспроизводимой мерой. Нулевой - результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводится до нуля. Замещения - измеряемая величина замещается известной величиной воспроизводимой мерой. Совпадений - разность между измеряемой величиной и величиной воспроизводимой мерой, определяется по совпадению отметок шкал или периодических сигналов. Средства измерений По характеру участия в процессе измерения все средства измерений можно разделить на пять групп: 1) меры; 2) измерительные преобразователи; 3) измерительные приборы; 4) измерительные установки; 5) измерительные системы (информационно-измерительные системы). Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины данного размера. Например: образцовая катушка сопротивления, гиря, нормальный элемент. Измерительный преобразователь (ИП) – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и/или хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Измерительный преобразователь не позволяет непосредственно получить результат измерений, а осуществляет преобразование одной физической величины (входной) в другую (выходную). Измерительные преобразователи являются основой для построения более сложных средств измерений: измерительных приборов, измерительных установок, измерительных систем. Измерительный прибор – это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. В отличие от измерительного преобразователя, измерительный прибор всегда имеет устройство, позволяющее человеку воспринимать информацию о числовом значении измеряемой величины. • По физическим явлениям, положенным в основу работы, измерительные приборы можно разделить на электроизмерительные (электромеханические, электротепловые, электрохимические и др.) и электронные. 1.По назначению их подразделяют на приборы для измерения электрических и неэлектрических (магнитных, тепловых, химических и др.) физических величин. 2.По способу представления результатов их делят на показывающие и регистрирующие. 3.По методу преобразования измеряемой величины – на приборы непосредственной оценки (прямого преобразования) и приборы сравнения. Действие наиболее распространенных электроизмерительных приборов непосредственной оценки основано на возникновении в процессе измерений вращающего момента и вызванного им поворота подвижной части прибора. Особенности физических процессов, вызывающих появление вращающего момента, определяют деление приборов на магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические и др. Приборы сравнения предназначены для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно (с мерой). Приборы сравнения могут работать в двух режимах: в равновесном режиме и в неравновесном режиме. Измерительная установка – совокупность функционально объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенная для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем и расположенная в одном месте. Например, поверочные установки, установки для испытаний электротехнических, магнитных и других материалов, лабораторные установки для исследования характеристик электродвигателей, стенды для поверки электрических счѐтчиков и т.п. Измерительная установка позволяет предусмотреть определѐнный метод измерения и заранее оценить погрешность измерения. Отличие измерительной установки от измерительной системы заключается в еѐ локальности, компактности размещения. Измерительная система (ИС) – совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединѐнных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, хранения, передачи и (или) использования в автоматических системах управления. Например, многоканальный пространственно распределѐнный информационно- измерительный комплекс в составе системы управления производством. Частными случаями измерительных систем являются измерительно- вычислительные комплексы (ИВК) и информационно-измерительные системы (ИИС). К последним относятся системы автоматического контроля, системы технической диагностики, системы распознавания образов и др. Измерительные системы – это наиболее современные и сложные средства измерений. Очевидно, что различные типы средств измерений и их конкретные экземпляры отличаются друг от друга по свойствам. В связи с этим возможности и качество средств измерений определяются совокупностью ряда характеристик. Тема 1.2 Погрешности измерений и средств измерений Классификация погрешностей измерений При любой степени совершенства и точности измерительной аппаратуры, рационально спланированной методике измерений, тщательности выполнения измерительных операций результат измерений отличается от истинного значения физической величины. Иначе говоря, при всяком измерении неизбежны обусловленные разнообразными причинами отклонения результата измерения (x) от истинного значения измеряемой величины (X). Эти отклонения называют погрешностями измерений. ∆ = А - Х (1) Это соотношение служит исходным для теоретического анализа погрешностей. На практике же из-за невозможности определить истинное значение вместо него берут действительное значение измеряемой величины, например, среднеарифметическое результатов наблюдений при измерениях с многократными наблюдениями. Истинным называется значение ФВ (физической величины), идеальным образом характеризующее свойство данного объекта, как в количественном, так и качественном отношении. Оно не зависит от средств нашего познания и является той абсолютной истиной, к которой мы стремимся, пытаясь выразить еѐ в виде числовых значений. Действительным называется значение ФВ, найденное экспериментально и настолько близкое к истинному, что в поставленной измерительной задаче оно может быть использовано вместо него. Погрешность измерений иногда удобно характеризовать ее относительным значением: δ = ∆ /x * 100 % (2) Следует также различать погрешность результата измерения и погрешность средства измерений (СИ). Эти два понятия во многом близки друг к другу и классифицируются по одинаковым признакам. Погрешность средства измерений – разность между показанием СИ и истинным (действительным) значением измеряемой ФВ. Она характеризует точность средства измерений (характеристику качества СИ, отражающую близость его погрешности к нулю). Величину, обратную относительной погрешности, называют точностью: Т = 1/ δ = х / ∆ (3) Чем выше точность, тем с меньшей погрешностью произведено измерение. Обычно понятие точности используют для сравнительной характеристики различных измерений или средств измерений. Правильное количественное представление о качестве измерений получают путем указания погрешности или точности. Соответствующие формулировки будут: 1) с погрешностью до 1 мВ; 2) с относительной погрешностью до 0,1%; 3) с точностью 1000. Точность 1000 соответствует относительной погрешности 0,1%, точность 25 – относительной погрешности 4%. Чтобы правильно оценивать погрешность, следует ясно представлять ее происхождение, понимать, к какому виду относится данная составляющая погрешности измерений. Это диктует необходимость рассмотрения классификации погрешностей. Их можно классифицировать по многим признакам, но мы постараемся сделать это наиболее полным образом. По характеру проявления погрешности делятся на случайные, систематические, прогрессирующие и промахи, или грубые погрешности. Случайная погрешность – составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) в серии повторных измерений одного и того же размера физической величины, проведенных с одинаковой тщательностью в одних и тех же условиях. В появлении таких погрешностей, изображенных на рис. 1.1(а), не наблюдается какой-либо закономерности, они обнаруживаются при повторных измерениях одной и той же величины в виде некоторого разброса получаемых результатов. Случайные погрешности неизбежны, неустранимы и всегда присутствуют в результате измерения, однако их можно существенно уменьшить, увеличив число наблюдений. Систематическая погрешность – составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно меняющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины. Постоянная и переменная систематические погрешности показаны на рис.1.1(б). Их отличительный признак заключается в том, что они могут быть предсказаны, обнаружены и благодаря этому почти полностью устранены введением соответствующей поправки. Прогрессирующая (дрейфовая) погрешность – это непредсказуемая погрешность, медленно меняющаяся во времени. Прогрессирующие погрешности могут быть скорректированы поправками только в данный момент времени, а далее вновь непредсказуемо изменяются. Их изменение во времени представляет собой нестационарный случайный процесс, поэтому в рамках хорошо разработанной теории стационарных случайных процессов они могут быть описаны лишь с известными оговорками. Рисунок 1.1 - Изменение: а – случайной, б – постоянной и переменной систематических погрешностей Прогрессирующая погрешность – это понятие, специфичное для нестационарного случайного процесса изменения погрешности во времени, оно не может быть сведено к понятиям случайной и систематической погрешностей. По способу выражения разделяют абсолютные, относительные и приведенные погрешности. Алгебраическую разность измеряемого значения величины x и действительного ее значения a называют абсолютной погрешностью измерения Δ: ∆ = А - Х Отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины (безразмерная величина), выраженное в относительных единицах или процентах, называют относительной погрешностью: δ = ∆ /Х или δ = ∆ /Х * 100 % (4) Отношение абсолютной погрешности к максимальному возможному значению измеряемой величины а m (например, к верхнему пределу измерений прибора или к диапазону измерений) называется приведенной погрешностью ɤ пр : ɤ пр = (А – Х) /Х N * 100 = ∆ /Х N * 100 % (5) В зависимости от причин возникновения различают инструментальные погрешности измерения, погрешности метода измерений, погрешности из-за изменения условий измерения и субъективные погрешности измерения. Инструментальная погрешность измерения обусловлена погрешностью применяемого СИ. Иногда эту погрешность называют аппаратурной. Погрешность метода измерений – составляющая систематической погрешности измерений из-за несовершенства принятого метода измерений, эта погрешность обусловлена: • отличием принятой модели объекта измерения от модели, адекватно описывающей его свойство, которое определяется путем измерения; • влиянием способов применения СИ. Это имеет место, например, при измерении напряжения вольтметром с конечным значением внутреннего сопротивления. В таком случае вольтметр шунтирует участок цепи, на котором измеряется напряжение, и оно оказывается меньше, чем было до присоединения вольтметра; • влиянием алгоритмов (формул), по которым производятся вычисления результатов измерений. Вследствие упрощений, принятых в уравнениях для измерений, нередко возникают существенные погрешности, для компенсации действия которых следует вводить поправки. Иногда погрешность метода называют теоретической погрешностью; • влиянием других факторов, не связанных со свойствами используемых СИ. Отличительной особенностью погрешностей метода является то, что они не могут быть указаны в документации на используемое СИ, поскольку от него не зависят; их должен определять оператор в каждом конкретном случае. В связи с этим оператор должен четко различать фактически измеряемую им величину и величину, подлежащую измерению. Иногда погрешность метода может проявляться как случайная. Погрешность (измерения) из-за изменения условий измерения – это составляющая систематической погрешности измерения, являющаяся следствием неучтенного влияния отклонения в одну сторону какого-либо из параметров, характеризующих условия измерений, от установленного значения. Этот термин применяют в случае неучтенного или недостаточно учтенного действия той или иной влияющей величины (температуры, атмосферного давления, влажности воздуха, напряженности магнитного поля, вибрации и др.); неправильной установки средств измерений, нарушения правил их взаимного расположения и др. Субъективная (личная) погрешность измерения обусловлена погрешностью отсчета оператором показаний по шкалам СИ, диаграммам регистрирующих приборов. Она вызвана состоянием оператора, его положением во время работы, несовершенством органов чувств, эргономическим свойствами СИ. Классификация погрешностей средств измерений По зависимости абсолютной погрешности от значений измеряемой величины различают погрешности: аддитивные Δ А , не зависящие от измеряемой величины; мультипликативные Δ М , которые прямо пропорциональны измеряемой величине, и нелинейные Δ Н , имеющие нелинейную зависимость от измеряемой величины. Эти погрешности применяют в основном для описания метрологических характеристик средств измерений. Такое их разделение весьма существенно при решении вопроса о нормировании и математическом описании погрешностей СИ. Рисунок 1.2 – Виды погрешностей По влиянию внешних условий различают основную и дополнительную погрешности средств измерений. Основная погрешность средства измерений – погрешность СИ, применяемого в нормальных условиях. Для каждого средства оговариваются условия эксплуатации, при которых нормируется его погрешность. По способу числового выражения основная погрешность может быть представлена в виде абсолютной, относительной, приведенной погрешностей. Дополнительная погрешность средства измерений – составляющая погрешности СИ, возникающая дополнительно к основной погрешности, вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от нормального ее значения или вследствие ее выхода за пределы нормальной области значений. В зависимости от влияния характера изменения измеряемых величин погрешности СИ делят на статические и динамические. Статической называется погрешность средства измерений, применяемого для измерения ФВ, принимаемой за неизменную. Динамической называется погрешность СИ, возникающая дополнительно при измерении изменяющейся (в процессе измерений) ФВ. Динамическая погрешность СИ обусловлена несоответствием его реакции на скорость (частоту) изменения измеряемого сигнала. Если измерения с многогранными наблюдениями провести через некоторое время, в течение которого среднее значение успеет существенно измениться, то погрешность примет новое значение, например θ 2 . Таким образом, при проведении измерений, разделенных большими интервалами времени, проявляется изменчивость погрешности θ(t). Отклонения параметров средств измерений от их номинальных значений, вызывающие погрешность измерений, не могут быть указаны однозначно, поэтому для них должны быть установлены предельно допускаемые значения. Указанное нормирование является гарантией взаимозаменяемости средств измерений. Нормирование погрешностей средств измерений заключается в установлении предела допускаемой погрешности. Под этим пределом понимается наибольшая (без учѐта знака) погрешность средства измерения, при которой оно может быть признано годным и допущено к применению. Пределы допускаемой основной погрешности, определяемые классом точности, это интервал, в котором находится значение основной погрешности СИ. Классы точности СИ устанавливаются в стандартах или технических условиях. Средство измерения может иметь два и более класса точности. Например, при наличии у него двух или более диапазонов измерений одной и той же физической величины ему можно присваивать два или более класса точности. Приборы, предназначенные для измерения нескольких физических величин, также могут иметь различные классы точности для каждой измеряемой величины. Пределы допускаемых основной и дополнительной погрешностей, выражают в форме приведенных, относительных или абсолютных погрешностей. Выбор формы представления зависит от характера изменения погрешностей в пределах диапазона измерений, а также от условий применения и назначения СИ. Раздел 2 Методы и средства измерения параметров электрических сигналов и магнитных величин |