метрология. Учебное пособие метрология в вопросах и ответах
 Скачать 1.48 Mb.
|
|
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО СВЯЗИ ГОУВПО «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» Кафедра ЛС и ИТС УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ МЕТРОЛОГИЯ В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ Составители: к.т.н. доцент Косова А.Л. к.т.н. доцент Баскаков В.С. к.т.н. доцент Прокопьев В.И. Самара 2010 ОГЛАВЛЕНИЕ Раздел 1 Основы метрологии.................................................................. 1.1 Общие сведения о метрологии............................................................... 1.2 Виды измерений........................................ 1.3 Методы измерений……………………………….. 1.4 Физические величины и шкалы измерений……………………… 1.5 Международная система единиц SI………………………………. 1.6 Основы обеспечения единства измерений…………………………. 1.7 Вопросы и ответы по основам метрологии.......................... Раздел 2 Элементы теории погрешностей измерений 2.1 Классификация погрешностей...................................................... 2.2 Случайная погрешность…………………………………. 2.3 Методы обнаружения и исключения систематических погрешностей… 2.4 Методы обнаружения и исключения грубых погрешностей… …………… 2.5 Суммирование систематических и случайных погрешностей… 2.6 Погрешности косвенных измерений……………………………… 2.7 Вопросы и ответы по погрешностям измерений……………………….. Раздел 3 Средства измерений. Обработка результатов измерений.............. 3.1 Классификация средств измерений..................................................... 3.2 Классы точности средств измерений................................................................. 3.3 Стандартная форма записи результата однократных и многократных из- мерений ........................................ 3.4 Вопросы и ответы по средствам измерений и обработке результатов из- мерений…………………………………………………. 3.5. Примеры решения задач по средствам измерений и обработке результатов измерений Раздел 4 Измерение тока и напряжения………………………………… 4.1 Параметры переменных напряжений…………………………………… 4.2 Схемы и характеристики аналоговых вольтметров …………………… 4.3 Вопросы и ответы по измерению напряжения……………………….. 4.4 Примеры решения задач по измерению напряжения……………… Раздел 5 Осциллографические методы измерения параметров сигналов 5.1 Измерение напряжения………………………………………………. 5.2 Измерение частоты………………………………………………………. 5.2.1 Измерение частоты методом линейной калиброванной развертки 5.2.2 Измерение частоты методом синусоидальной развертки…………. 5.3 Вопросы и ответы по осциллографическим методам измерения параметров сигналов…………………………………………………………….. 5.4 Примеры решения задач по осциллографическим методам измерения параметров сигналов…………………………………………………………… Раздел 6 Цифровой частотомер………………………………………………… 6.1. Схема частотомера в режиме измерения частоты………………………… 6.2. Схема частотомера в режиме измерения периода………………………… 6.2. Схема частотомера в режиме измерения отношения частот……………… 6.4 Вопросы и ответы по цифровому частотомеру…………………………….. Раздел 7 Автоматизация измерений……………. 7.1. Общие сведения…………………………………………………………….. 7.2 Измерительные системы……………………………………………………. 7.3 Виртуальные информационно-измерительные системы…………………. 7.4 Интеллектуальные измерительные системы……………………………… 7.5. Вопросы и ответы по информационно- измерительным системам…….. 8. Вопросы и ответы по взаимозаменяемости Литература .................................................................................................. Раздел 1 Основы метрологии 1.1. Общие сведения о метрологии Метрология – наука об измерениях, об обеспечении их единства, о способах достижения требуемой точности, а также о методах и средствах достижения указанных целей. Задачи, решаемые метрологией, можно условно разделить на научные, практические, законодательные. В соответствии с этим метрологию делят на общую, законодательную и прикладную. Общая (теоретическая) метрология решает научные задачи: - разработки общей теории измерений; - совершенствования системы единиц; - разработке эталонов; - исследования вопросов математической обработки результатов изме- рений. Законодательная метрология – это раздел метрологии, включающий комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, требо- ваний и норм, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и кон- троле со стороны государства, направленные на обеспечение единства изме- рений и единообразие средств измерений. Законодательная метрология реализуется через стандартизацию (установление и применение правил с целью упорядочения деятельности в определенной области на пользу и при участии всех заинтересованных сто- рон, в частности для достижения всеобщей оптимальной экономии при со- блюдении условий эксплуатации (использования) и требований безопасно- сти). Прикладная метрология занимается решением практических задач. К практическим задачам метрологии относятся производство и выпуск в обра- щение рабочих средств измерений, обеспечивающих определение с требуе- мой точностью характеристик продукции, государственные испытания средств измерений, организация ведомственной поверки средств измерений, ревизия состояния измерений на предприятиях и организациях. Главное практическое применение метрологии - поверочное дело – передача истинных значений единиц от эталонов к рабочим мерам и измери- тельным приборам, применяемым в науке, технике и других областях народ- ного хозяйства. Процесс и правила передачи единиц физических величин от эталонов к рабочим средствам измерений определяется поверочной схемой. Основными задачами метрологии являются: обеспечение единства измерений; установление единиц физических величин; обеспечение единообразия средств измерений; установление национальных (государственных) эталонов и рабочих средств измерений, контроля и испытаний, а также передачи разме- ров единиц от эталонов или рабочих эталонов рабочим средствам измерений; установление номенклатуры, методов нормирования, оценки и кон- троля показателей точности результатов измерений и метрологиче- ских характеристик средств измерений; разработка оптимальных принципов, приемов и способов обработки результатов измерения и методов оценки погрешностей. Одной из главных задач метрологии является обеспечение единства измерений. Единство измерений – состояние измерений, при котором их ре- зультаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности изме- рений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью. Единство измерений может быть выполнено при соблюдении двух основопо- лагающих условий: выражение результатов измерений в узаконенных единицах; установление допускаемых погрешностей результатов измерений и пределов, за которые они не должны выходить при заданной веро- ятности. 1.2. Виды измерений Измерение – это совокупность операций по применению техническо- го средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих на- хождение соотношения измеряемой величины с еѐ единицей и получение значение этой величины. Измерение – познавательный процесс, заключающийся в сравнении опытным путѐм измеряемой величины с некоторым значением, принятым за единицу измерения. Из определения измерений следуют признаки измерений: 1) измеряются только физические величины, т.е. параметры реальных объектов; 2) измерение требует проведения опытов; 3) для проведения опытов требуются особые технические средства- средства измерений; 4) результатом измерения является значение физической величины. Основное уравнение измерения имеет следующий вид: А = а Х , (1.1) где А – измеряемая величина, а – единица измерения; Х – численное значение измеряемой величины при выбранной единице измерения. Из уравнения следуют слагаемые процесса измерения: 1) воспроизведение единицы физической величины в виде меры; 2) преобразование измеряемого сигнала; 3) сравнение измеряемой величины с мерой; 4) фиксация результата измерения. В зависимости от способа нахождения значения измеряемой вели- чины измерения разделяют на: 1) прямые; 2) косвенные; 3) совокупные; 4) совместные. Прямым называется измерение, когда искомое значение физической величины находится непосредственно из опытных данных. Это, например, измерение напряжения вольтметрам и силы тока – амперметрами. Математически прямые измерения можно охарактеризовать элементарной формулой А = х, (1.2) где х – значение величины, найденное путѐм еѐ измерения и называемое ре- зультатом измерения. Косвенным называется измерение, при котором искомое значение ве- личины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Косвенные измерения можно охарактеризовать следующей формулой: A = f(x 1 , x 2 ,…, x m ), (1.3) где x 1 , x 2 ,…, x m – результаты прямых измерений величин, связанных известной функциональной зависимостью f с искомым значением измеряе- мой величины А. Это, например, измерение частоты и напряжения осциллографом, мощности методом амперметра-вольтметра, определение резонансной часто- ты колебательного контура по результатам прямых измерений ѐмкости и ин- дуктивности контура, определение расстояния до места неоднородности в оптическом кабеле методом обратного рассеяния и т.д. При совокупных измерениях одновременно измеряют несколько одно- имѐнных величин, а их искомые значения находят решением системы урав- нений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих вели- чин. Например, измерения, при которых размер ѐмкости набора конденсаторов находят по известному значению ѐмкости одного конденсатора и результатам прямых сравнений размеров ѐмкостей различных сочетаний конденсаторов. Совместные измерения состоят в одновременном измерении двух или нескольких неодноимѐнных величин для нахождения зависимости между ними. В зависимости от способа выражения результатов измерения раз- деляют на: 1) абсолютные; 2) относительные. Абсолютные измерения – измерения одной или нескольких величин с использованием значений физических констант. Относительные измерения – измерения отношения величины к одно- именной величине, принимаемую за исходную. Например, отношения напряжений или мощностей в форме уровней в децибелах. В зависимости от числа проведенных испытаний измерения разделяют на: 1) однократные – с использованием одного наблюдения; 2) многократные – с использованием многократных наблюдений. По характеру зависимости измеряемой величины от времени изме- рения разделяют на: 1) статические – измеряемая величина остается неизменной в течение времени измерения; 2) динамические - измеряемая величина изменяется в течение времени измерения. 1.3. Методы измерений Существует два основных метода измерения: 1) Метод непосредственной оценки, при котором размер измеряемой вели- чины находится по шкале, по цифровому табло или экрану прибора, на- пример, измерение напряжения вольтметром. 2) Метод сравнения с мерой, при котором значение измеряемой величины сравнивается со значением величины, воспроизводимой мерой. Данный метод имеет следующие разновидности: 2.1) Метод противопоставления, при котором значение величин изме- ряемой и воспроизводимой мерой, воздействует на прибор сравнения и с его помощью устанавливается отношение между этими величина- ми. 2.2) Дифференциальный (разностный) метод, при нѐм измеряемая ве- личина определяется по разности между искомой величиной и вели- чиной, воспроизводимой меры. 2.3) Нулевой метод – частный случай дифференциального, когда раз- ность доводят до нуля. 2.4) Метод замещения – измеряемую величину замещают равной ей по величине мерой. 2.5) Метод совпадений - значение измеряемой величины определяют по совпадению сигналов, отметок или других признаков, относящихся к измеряемой и известной величинам. 1.4. Физические величины и шкалы измерений Физическая величина – свойство физических объектов, общее в каче- ственном отношении многим объектам, но в количественном отношении ин- дивидуальное для каждого из них. Качественная сторона понятия «физиче- ская величина» определяет ее род (например, электрическое сопротивление как общее свойство проводников электричества), а количественная – ее «раз- мер» (значение электрического сопротивления конкретного проводника, на- пример R = 100 Ом). Числовое значение результата измерения зависит от вы- бора единицы физической величины. Физическим величинам присвоены буквенные символы, используемые в физических уравнениях, выражающих связи между физическими величи- нами, существующие в физических объектах. Размер физической величины – количественная определенность ве- личины, присущая конкретному предмету, системе, явлению или процессу. Значение физической величины – оценка размера физической величи- ны в виде некоторого числа принятых для нее единиц измерения. Числовое значение физической величины – отвлеченное число, выра- жающее отношение значения физической величины к соответствующей еди- нице данной физической величины (например, 220 В – значение амплитуды напряжения, причем само число 220 и есть числовое значение). Именно тер- мин «значение» следует применять для выражения количественной стороны рассматриваемого свойства. При выбранной оценке физической величины ее характеризуют истин- ным, действительным и измеренным значениями. Истинным значением физической величины называют значение фи- зической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Опреде- лить экспериментально его невозможно вследствие неизбежных погрешно- стей измерения. Это понятие опирается на два основных постулата метрологии: истинное значение определяемой величины существует и оно по- стоянно; истинное значение измеряемой величины отыскать невозможно. На практике оперируют понятием действительного значения, степень приближения которого к истинному значению зависит от точности средства измерения и погрешности самих измерений. Действительным значением физической величины называют ее зна- чение, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для определенной цели может быть использовано вместо него. Под измеренным значением понимают значение величины, отсчитан- ное по индикаторному устройству средства измерения. Единица физической величины – величина фиксированного размера, которой условно присвоено стандартное числовое значение, равное единице. Упорядоченная последовательность (совокупность) значений физи- ческой величины, принятая по соглашению на основании результатов точных измерений - шкалой физической величины. Различают следующие типы шкал: - шкала наименований, значения которой используют для выявления различий между объектами; - шкала порядка, в соответствии с которой размеры измеряемых ве- личин располагают в порядке возрастания или убывания; При определении твердости материала используется шкала поряд- ка. - шкала интервалов обеспечивает суммирование интервалов между различными количественными проявлениями свойств; - шкала отношений (подобия) представляет собой шкалу разностей с естественным началом отсчета. Наибольшее количество действий можно выполнить по шкале от- ношений. 1.5 Международная система единиц SI Единицы физических величин делят на основные и производные и объ- единяют в системы единиц физических величин. Единица измерения уста- навливается для каждой из физических величин с учетом того, что многие величины связаны между собой определенными зависимостями. Поэтому лишь часть физических величин и их единиц определяются независимо от других. Физическая величина, входящая в систему величин и условно приня- тая в качестве независимой от других величин этой системы, называется ос- новной. Остальные физические величины – производные и их находят с ис- пользованием физических законов и зависимостей через основные. Совокупность основных и производных единиц физических вели- чин, образованная в соответствии с принятыми принципами для заданной системы физических величин, называется системой единиц физических величин. Единица основной физической величины является основной еди- ницей системы. Международная система единиц (система СИ; SI — франц. Systeme International) была принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 г. В основу системы СИ положены семь основных и две дополни- тельные физические единицы. Основные единицы: метр, килограмм, се- кунда, ампер, кельвин, моль и кандела (табл. 1.1). Таблица 1.1. Единицы Международной системы СИ Единицы Наименование Размер- ность Наименование Обозначение международное русское Основные Длина L метр m м Масса М килограмм kg кг Время T секунда s с Сила электрического тока I ампер А А Температура Θ кельвин К К Количество вещества N моль mol моль Сила света J кандела cd кд Дополнительные Плоский угол - радиан rad рад Телесный угол - стерадиан sr ср В области измерений электрических и магнитных величин имеется |