Волошенко А.В. Метрология, стандартизация и сертификация (курс лекций)

Подождите немного. Документ загружается.

Методы измерения

Методы

непосредственной

оценки

Методы

сравнения

с мерой

ДифференциальныйНулевой

т разность между измеряемой величиной и из-

вестн

ором измеряемая ве

ли-

чина

е-

ние м

ину за-

мещают известной величиной, воспроизводимой мерой. (Измерение со-

Дифференциальный метод – это метод сравнен

ия с мерой, в кото-

ром на ИП воздействуе

ой величиной, воспроизводимой мерой (газоанализаторы, неурав-

новешенные мосты).

Как в нулевом, так и в дифференциальном методе могут быть вы-

делены методы противопоставления, замещения и совпадения.

Метод противопоставления – метод, в кот

и величина, в

оспроизводимая мерой, одновременно воздействуют

на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотнош

ежду этими величинами.

Метод замещения – метод, в котором измеряемую велич

С отсчетом по

и нониусу

шкале

Противопоставлений

Зам ещения

Совпадений

С отсчетом по шкале

Рис. 1.3. Классификация методов измерения

противления методом замещения в лабораторной работе по поверке пи-

рометрических милливольтметров).

Метод совпадений – метод, в котором разность между измеряемой

величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя

совпадение отметок шкал или периодических сигналов (стрелочные ве-

сы).

1.4. Погрешности измерений

Как показано в подразделе 1.1, истинного значения измеряемой

величины получить невозможно и на практике приходится пользо

ваться

её действительным значением. При этом разность между полученным и

действительным значением измеряемой величины определяет погреш-

ность измерения

В зависимости от причин возникновения, характера и условий по-

явления принято выражать погрешность измерения ∆ суммой двух со-

ставляющих, называемых случайной (ψ) и систематической

(



) по-

грешностями измерений:

= ψ +



. (1.9)

Классификация погрешностей измерений представлена на рис.

1.4.

Случайная погрешность измерения – составляющая погрешности

измерения, изменяющаяся случайным образом при повторных измере-

ниях одной и той же величины.

Случайная погрешность определяется факторами, появляющими-

ся нерегулярно с изменяющейся интенсивностью. Она не может быть

исключена из результата измерений. Однако проведением ряда повтор-

ных измерений с использованием дл

я их обработки методов математи-

ческой статистики определяют значение измеряемой величины со слу-

чайной погрешностью.

Ожидаемая случайная погрешность – это погрешность, которая

получается в результате специально созданных условий измерения, ха-

рактеризующихся тем, что интенсивность всех действующих факторов

доводится до некоторого уровня, обеспечивающего более или менее

равное влияние на формирование погрешности.

Грубой случайной погрешностью называют погрешност

ь измере-

ния, существенно превышающую ожидаемую при данных условиях.

Причинами грубых погрешностей могут являться неисправность

СИ, резкое изменение условий измерений и влияющих величин.

Пог

ешност ми из е

ений

Случайные Систематические

Погрешность

ожидаемая

Погре

гр

шность

убая

ромах

По

воз

причине

никнове-

ния

По

харак

оявле

теру

ния

Погрешность

метода

Погреш

инструм

ность

нтае

Погреш

от влия

велич

ость

щих

Погреш

устано

но

сть

ки

Погр

субъ

е т

ек а

Погр

пос

шнос

тивн

ешность

тоянная

огреш

ереме

ость

ная

Погрешность

конструкции

Погреш

техноло

ска

но

ги

сть

че-

Погреш

старе

ость

ия

ений Ри Кл и о ш и рс. 1.4. асс фикация п гре ностей зме

Промах – погрешность измерения, которая явно и резко иска-

ает результат.

Промах ой. Его появ-

ление – следстви атора.

при п

стематической погрешности является

рных измер

ениях. Например: неправильная установка начала

могут

вляется случайной субъективной ошибк

е неправильных действий эксперимент

Грубые погрешности и промахи обычно исключаются из экс-

периментальных данных, подлежащих обработке.

Систематическая погрешность – составляющая погрешности

измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся

овторных измерениях одной и той же величины.

Выявлени

е и оценка си

наиболее трудным моментом любого измерения. Обнаруженная и

оцененная систематическая погрешность исключается из результата

измерения введением поправки.

Погрешность метода измерений – обусловлена несовершенст-

вом метода измерений.

Инструментальная погрешность измерения – зависит от по-

грешности применяемых СИ и состоит из трёх составляющих (по-

грешность конструкции, технологическая, старения).

Погрешность установки – являет

ся следствием неправильности

монтажа средств измерения.

Погрешность от влияющих величин – является следствием воз-

действия на объект и СИ внешних факторов (тепловых и воздушных

потоков, магнитных, электрических и других полей, атмосферного

давления, влажности воздуха и т.п.).

По характеру проявления погрешности делятся на постоянные

и переменные погрешности.

Постоянные погрешности – не изменяют сво

его значения при

повто

отсчёта и т.п.

Переменные погрешности – при повторных измерениях

принимать разные значения. Причина их появления – действие

внешних факторов и особенности СИ.

Вышеперечисленные погрешности могут иметь место, как при

статических, так и при динамических измерениях. Погрешности,

возникающие при этих измерениях, принято называть ст

атическими

и динамическими.

1.5. Основные сведения о средствах измерений

1.5.1. Классификация средств измерений

В метрологии средства измерений принято классифицировать

по виду и метрологическому назначению.

Различают следующие виды СИ: меры, измерительные устрой-

ства, измерительные установки и измерительные системы (рис. 1.5).

Мера – СИ, предназначенное для воспроизведения физической

величины заданного размера.

Самым многочисленным видом средств измерений являются

измерительные устройства (ИУ), применяемые самостоятельно или в

состав

е измерительных установок и измерительных систем.

В зависимости от формы представления сигнала измеритель-

ной информации ИУ подразделяют на измерительные приборы

(ИП) и измерительные преобразователи (ИПр).

Измерительный прибор – СИ, предназначенное для выработки

сигнала измерительной информации в форме, доступной для непо-

средственного восприятия наблюдателем, в установленном диапазо-

не и с установленной погрешностью.

Аналоговый ИП – ИП, показания которого являют

ся непре-

рывной функцией измеряемой величины.

Цифровой ИП – ИП, автоматически вырабатывающий дис-

кретные сигналы измерительной информации, показания которого

представлены в цифровой форме.

Измерительный преобразователь – СИ, предназначенное для

выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной

для

дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не

поддающийся непосредственному восприятию наблюдателю.

Масшт

абный ИПр предназначен для изменения измеряемой

величины в заданное число раз (усилитель).

Функциональный ИПр предназначен для формирования сигна-

ла измерительной информации, связанного с измеряемой величиной

некоторой заданной функцией.

Измерительная информация представляется ИПр обычно в ви-

де сигналов постоянного или переменного тока или напряжения, по-

следовательности прямоугольных импульсов, давления сжатого воз-

духа или жидкости и т.п.

Средства измерений

Измерительн

системы

Измерительные

устройства

Измерительные

установки

ые

Меры

Измерительные

преобразователи

Од

нозначные

Многозна

чные

ибо

По способу

представления

выходных величин

По положению в

измерительной

системе

По функции

преобр

зования

По методу

измерения

По типу

вычислительного

устройства

По способу

представления

показаний

По способу

представления

величин

По методу

измерения

Прямого

ействия

авнения

Аналоговый

Цифровой

Показываю-

ий

Регистри-

ру

ий

Суммирую-

ий

Интегрирую-

ий

Вычисляющий

сложение

фун

ций

Самопишущий Печатающий

авнения

Аналоговый

Цифровой

Первичный

Промежуточ-

ный

Пе

аю

ий

Ма

штабный

Функциональ-

ный

Прямого

ействия

Рис. 1.5. Классификация средств измерений

Измерительная установка – совокупность функционально объеди-

ненных СИ и вспомогательных устройств, предназначенных для выра-

ботки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непо-

средственного восприятия наблюдателем.

Рис.1.6. Обобщенная поверочная схема

Первичный

эталон

Специальные

эталоны

1-го разряда

2-го разряда

3-го разряда

4-го разряда

Наивысшей

точности

Высокой

точности

Средней

точности

Высшей

точности

Низшей

точности

Государственные

эталоны

Рабочие меры и ИП

Рабочие этало

ны

Пе

ача е

ини

изме

ения

ка

(

калиб

овка

)

Пове

Измерительная система – совокупность СИ и вспомогательных

устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная

для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной

для автоматической обработки, передачи и (или) использования в авто-

атических системах управления, а также в форме удобной для воспри-

Существенной с позиций метрологии является классификация СИ

по метрологическому назначению, в соответствии с которой принято

различать эталонные и ра

бочие СИ.

Эталон – это устройство, обеспечивающее воспроизведение и

(или) хранение единиц с целью передачи информации о ее размере СИ,

выполненное по особой спецификации и официально утвержденное в

установленном порядке в качестве эталона.

Рабочее средство измерения – средство, применяемое для измере-

ний, не связанных с передачей размера единиц – это все многообразие

ИП, ИПр, измерительных установок и сист

ем, применяемых во всех об-

ластях деятельности человека.

Рабочий эталон – средство, предназначенное для поверки (калиб-

ровки) по ним рабочих СИ и утвержденное в качестве рабочего эталона.

Закон РФ об обеспечении единства измерений трактует понятие

поверки и калибровки СИ следующим образом.

Поверка СИ – совокупность операций, выполняемых органами

государственной метрологической слу

жбы (другими уполномоченными

на то рганами, организациями) с целью определения и подтверждения

соответствия метрологических тех-

ническим треб

Калибровка СИ – совокупность операций, выполняемых с целью

статических характеристик, под ко

то-

одного Y сигналов не изменяются, называют статическим.

ятия наблюдателем.

характеристик СИ установленным

ованиям.

определения и подтверждения действительных значени

й метрологиче-

ских характеристик и пригодности к применени

ю СИ, не подлежащих

государственному метрологическому контролю и надзору.

1.5.2. Статические характеристики и другие параметры

измерительных устройств

Поверка и калибровка всех измерительных устройств связа-

ы с определением их реальных н

рыми понимается зависимость в ходной величины от входной. В об-

щем случае режим работы ИУ, при котором значение входного Х и вы-

Статической характеристикой ИУ называют функциональную за-

висимость выходного сигнала Y от входного Х в статическом режиме

работы указанного ИУ. Статическая характеристика описывается в об-

азования:

(1.10)

Рис. 1.7. Статические характеристики ИУ

На рис. ристики ИУ.

Основное требование, предъявляемо к статической характеристике ИУ,

своди

любой

ерную шк

алу.

У измерительных преобразователей статическая характеристика,

ейной:

щем случ

ае некоторым уравнением преобр

Y = f (X).

1.7 приведены различные стати

ческие характе

тся к получению линейной зависимости между выходной и вход-

ной величинами. При нелинейной (1) статической характеристике чув-

ствительность будет различной в разных точках, а шкала неравномер-

ной. Приборы с линейной (2) или пропорциональной (3) статической

характеристикой им

еют неизменную в точке чувствительность и

авномр

как правило, является лин

Y = к



Х, (1.11)

Диапазон

измерений

Диапазон

показаний



где к – коэффициент преобразования (в АСУ – коэффициент передачи),

определяемый как

отношение сигнала на выходе измерительно-

Диапазон показаний – область значений шкалы, ограниченная ко-

м ш

ая ч

величины, для которой нормированы допускаемые погреш-

ности

го преобразователя, к вызывающему его сигналу на входе

измерительного преобразователя.

Кроме ст

атической характеристики для определения метрологиче-

ских свойств ИУ используется ряд параметров и понятий.

нечным Х

и начальным значение калы Х

Диапазон измерений (рабоч асть шкалы) – область значений

измеряемой

ИП. В частном случае указанные диапазоны могут совпадать.

Рис. 1.8. Схема отсчетного устройства ИП

Для количественной оценки влияния на выходной сигнал ИУ

входного сигнала в произвольной точке статической характеристики

ределслужит п отношения приращения

∆Y выходного сигнала к прира-

щению

∆Х входного сигнала, когда ∆Х0, т.е. производная в выбранной

точке:

YdY

S lim

XdX







. (1.12)

Применительно к ИП этот параметр называют чувствительно-

ью прибора. Графически чувствительность определяется тангенсом

Начальн

ст

ое

значение

шкалы

100

120

140

160

180

200

Д ина деле-

ния шкалы

Указатель

Шкала

Конечное

значение

шкалы

Отметка

шкалы

Деление

шкалы

Оцифрованная

отметка шкалы

Диапазон измерений

Диапазон показаний

Нижний

предел

измерения

Верхний

предел

измерения