Методы измерений и их характеристика. Понятие и классификация измерений. Краткая характеристика основных видов измерений. Смотреть что такое "Виды измерений" в других словарях

Под измерением понимается процесс физического сравнения данной величины с некоторым её значением принятым за единицу измерения. Измерение – познавательный процесс заключающийся в сравнении опытным путём измеряемой величины с некоторым значением принятым за единицу измерения. параметры реальных объектов; измерение требует проведения опытов; для проведения опытов требуются особые технические средства- средства измерений; 4 результатом измерения является значение физической величины.

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

Основные характеристики и методы измерений

1 Определения и классификация измерений

3 Основные характеристики измерений

1 Определения и классификация измерений.

Измерение – нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Под измерением понимается процесс физического сравнения данной величины с некоторым её значением, принятым за единицу измерения.

Измерение – познавательный процесс, заключающийся в сравнении опытным путём 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)

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 величины измерения делят на:

1. прямые;
2. косвенные;
3. совокупные;
4. совместные.

Прямым называется измерение, когда искомое значение физической величины находится непосредственно из опытных данных. Следует отметить, что часто под прямыми понимаются такие измерения, при которых не производится промежуточных преобразований. Это, например, измерение напряжения и силы тока известными электроизмерительными приборами – вольтметрами и амперметрами. Прямые измерения очень распространены в метрологической практике. Математически прямые измерения можно охарактеризовать элементарной формулой

А = х , (2)

где х – значение величины, найденное путём её измерения и называемое результатом измерения .

Косвенным называется измерение, при котором искомое значение величины 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 ), (3)

где x 1 , x 2 ,…, x m – результаты прямых измерений величин, связанных известной функциональной зависимостью f с искомым значением измеряемой величины А .

Косвенные измерения характерны для практики измерений в телекоммуникационных системах, например, измерение мощности методом амперметра-вольтметра, определение резонансной частоты колебательного контура по результатам прямых измерений ёмкости и индуктивности контура, определение расстояния до места неоднородности в оптическом кабеле методом обратного рассеяния и т.д.

При совокупных измерениях одновременно измеряют несколько одноимённых величин, а их искомые значения находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Например, измерения, при которых размер ёмкости набора конденсаторов находят по известному значению ёмкости одного конденсатора и результатам прямых сравнений размеров ёмкостей различных сочетаний конденсаторов.

Совместные измерения состоят в одновременном измерении двух или нескольких неодноимённых величин для нахождения зависимости между ними.

Пример совместных измерений – определение зависимости сопротивления резистора от температуры.

2 Классификация методов измерения

Существует два основных метода измерения:

1. Метод непосредственной оценки , при котором размер измеряемой величины находится по шкале, по цифровому табло или экрану прибора, например, измерение напряжения вольтметром.
2. Метод сравнения с мерой, при котором значение измеряемой величины сравнивается со значением величины, воспроизводимой мерой. Данный метод имеет следующие разновидности.

1) Метод противопоставления , при котором значение величин измеряемой и воспроизводимой мерой, воздействует на прибор сравнения и с его помощью устанавливается отношение между этими величинами.

2) Дифференциальный (разностный) метод , при нём измеряемая величина определяется по разности между искомой величиной и величиной, воспроизводимой меры.

3) Нулевой метод – частный случай дифференциального, когда разность доводят до нуля.

4) Метод замещения – измеряемую величину замещают равной ей по величине мерой.

5) Метод совпадений - значение измеряемой величины определяют по совпадению сигналов, отметок или других признаков, относящихся к измеряемой и известной величинам.

Метод замещения и нулевой метод требуют применения многозначной меры.

Указанная классификация методов измерения иллюстрируется на рис. 1.

Рисунок 1

3. Основные характеристики измерений

Основными характеристиками измерений являются: результат и погрешность.

Результат измерений физической величины (кратко – результат измерения или, просто результат) – значение физической величины, полученное путем ее измерения.

Часто в полученный результат вносят поправки.

Поправка (англ. Correction) — значение физической величины, одноименной с измеряемой, которая вводится в результат измерения для исключения определенных, так называемых систематических составляющих погрешности (см. гл. 2), что находит отражение в терминологии:

• неисправленный результат измерения – измеренное значение физической величины, полученное до внесения поправок;
• исправленный результат измерения – измеренное значение физической величины и уточненное путем внесения в него необходимых поправок;

Погрешность средства измерения – разность между показаниями средства измерения и истинным значением измеряемой физической величины.

Качество измерений характеризуется точностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью, достоверностью, а также размером допускаемых погрешностей. Качество измерений – совокупность свойств, обусловливающих получение результатов с требуемыми точностными характеристиками, в необходимом виде и установленные сроки.

Точность результата измерений – одна из характеристик качества измерений, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения. Высокая точность измерения соответствует малым погрешностям. Количественно точность оценивают обратной величиной модуля относительной погрешности, например, если относительная погрешность составляет 0,01, то точность равна 100.

Правильность измерений – характеристика, отражающая близость к нулю систематических погрешностей результатов измерений.

Сходимость результатов измерений – близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполненных повторно одними и теми же средствами, одним и тем же методом, в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью.

Воспроизводимость – близость результатов измерений одной и той же физической величины, полученных в разных местах, разными методами и средствами, разными операторами, в разное время, но приведенных к одним и тем же условиям (температура, давление, влажность и др.).

Достоверность – характеристика качества измерений, отражающая доверие к их результатам, которая определяется доверительной вероятностью α того, что истинное значение измеряемой величины А находится в некотором заданном интервале. Подобный интервал называют доверительным и между его границами с заданной доверительной вероятностью

(3)

находится истинное значение А оцениваемого параметра. В (3) параметр q – уровень значимости ошибки (см. гл. 2); , – нижняя и верхняя границы доверительного интервала.

Литература

1. Лифиц И.М. Основы стандартизации, метрологии, сертификации. – М.: Юрайт, 2011.

2. Сергеев А.Г., Латышев М.В., Терегеря В.В. Метрология. Стандартизация. Сертификация. – М.: Логос, 2013.

3. Крылова Г.Д. Основы стандартизации, сертификации, метрологии. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2013.

4. Лифиц И.М. Стандартизация, метрология, сертификация. – М.: Юрайт, 2013.

5. Басаков М.И. Сертификация продукции и услуг с основами стандартизации и метрологии. – Ростов-на-Дону, 2012.

Основные метрологические понятия, термины и определения формулируются государственными стандартами.

Измерение - это процесс нахождения значения физической величины опытным путем с помощью специальных средств. В зависимости от способа получения результата измерения делятся на прямые и косвенные.

При прямых измерениях искомая физическая величина определяется непосредственно по индикатору прибора: напряжение - вольтметра, частота - частотомера, сила тока - амперметра. Прямые измерения очень распространены в метрологической практике.

При косвенных измерениях интересующая нас величина находится расчетным путем по результатам измерений других величин, связанных с искомой величиной определенной функциональной зависимостью. Например, измерив силу тока и напряжение, на основании известной формулы можно определить мощность:

Косвенные измерения также часто применяются в метрологической практике.

Мера (прибор) - это средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. По своему метрологическому значению, по той роли, которую они играют в деле обеспечения единообразия и верности, меры делятся на образцовые и рабочие.

Эталон - это тело или устройство самой высокой точности, служащее для воспроизведения и хранения единицы физической величины и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме. Примером точности эталона может служить Российский государственный эталон времени, погрешность которого за 30 000 лет не будет превышать 1с.

Физическая величина - это свойство, общее в качественном отношении для множества объектов, физических систем, их состояний и происходящих в них процессов, но индивидуальное в количественном отношении для каждого из них. По принадлежности к различным группам физических процессов физические величины делятся на электрические, магнитные, пространственно-временные, тепловые и пр.

Значение физической величины - это оценка физической величины в принятых единицах измерения (например, 5 мА - значение силы тока, причем 5 - это числовое значение). Именно этот термин применяют для выражения количественной характеристики рассматриваемого свойства. Не следует говорить и писать «величина силы тока», «величина напряжения», поскольку сила тока и напряжение сами являются величинами. Следует использовать термины «значение силы тока», «значение напряжения».

Единица физической величины - это физическая величина, которой по определению присвоено стандартное числовое значение, равное единице. Единицы физических величин подразделяются на основные и производные.

Из-за большого диапазона реальных значений большинства измеряемых физических величин применение целых единиц не всегда удобно, поскольку в результате измерений получаются большие или малые их значения. Поэтому в системе измерений СИ (SI - система интернациональная) установлены дольные и кратные единицы.

Табл. 1.1. Электрические единицы измерения, используемые в электронике

Кратная единица физической величины всегда больше основной (системной) в целое число раз. Например, мегаом (10 6 Ом), киловольт (10 3 В)

Дольная единица физической величины меньше основной (системной) в целое число раз. Например, нанофарад (10 -9 Ф), микроампер (10 -6 А).

При выбранной оценке физической величины ее можно охарактеризовать истинным и действительным (измеренным) значением измеряемой физической величины.

Истинное (действительное) значение физической величины - это значение, свободное от погрешности. Нахождение истинного значения является главной проблемой метрологии, так как погрешности при измерении неизбежны. В связи с этим на практике за истинное значение принимают показание образцовой меры (прибора), погрешность которой пренебрежимо мала по сравнению с погрешностью применяемых рабочих мер (приборов).

Измеренное значение физической величины - это значение величины, отсчитанное по рабочей мере (прибору).

Измерительный прибор - это средство измерения, в результате применения которого измеряемая физическая величина становится показанием.

По принципу действия все измерительные приборы делятся на две группы:

Электромеханические приборы, используемые в цепях постоянного тока и на низких частотах;

Электронные приборы, используемые в цепях постоянного тока и во всем диапазоне частот.

По способу выдачи результата измерительные приборы подразделяются на:

- аналоговые (со стрелочным индикатором, самопишущие), показания которых являются непрерывной функцией измерения и измеряемой величины;

- цифровые , показания которых образуются в результате автоматического вырабатывания дискретных сигналов измерительной информации, представленной в цифровой форме.

Различают измерительные приборы прямого действия и приборы сравнения.

Приборы прямого действия отображают измеряемую величину на индикаторе в единицах этой величины. Изменения рода физической величины в процессе измерения не происходит. К таким приборам относятся амперметры и вольтметры.

Приборы сравнения (компараторы) служат для сравнения измеряемых величин с величинами, значения которых известны. По назначению приборы делят на рабочие и образцовые.

Рабочие приборы предназначены только для измерения во всех областях хозяйственной деятельности.

Образцовые приборы служат для поверки и градуирования рабочих приборов. Погрешность измерения образцовых приборов на 1-2 порядка меньше по сравнению с рабочими приборами.

Стоимость прибора напрямую связана с погрешностью измерения: если прибор имеет погрешность в 10 раз меньше, то стоит такой прибор в 10 раз дороже. Использовать образцовые приборы для массовых измерений экономически нецелесообразно, поэтому в лабораториях учебных заведений и на производстве применяются в основном рабочие приборы.

Шкалы аналоговых измерительных приборов (АИП) классифицируются по следующим признакам:

1. По признаку равномерности различают:

- равномерная шкала - это шкала с делениями постоянной длины и с постоянной ценой деления (рис. 1.1, а). Такую шкалу имеют электромеханические приборы только магнитоэлектрической системы;

- неравномерная шкала - это шкала с делениями непостоянной длины и с непостоянной ценой деления (рис. 1.1, б). Такую шкалу имеют электромеханические приборы выпрямительной, электромагнитной, электродинамической, ферродинамической, электростатической, термоэлектрической систем.

Рис. 1.1. Шкалы аналоговых приборов: равномерная (а), неравномерная (б), прямая (б), обратная (г), односторонняя (с)), двухсторонняя (е), безнулевая (ж)

2. По признаку направления градуирования различают:

- прямая шкала градуирована слева направо, т.е. нуль на шкале расположен слева (рис 1.1, в). Такая шкала является самой распространенной в АИП;

- обратная шкала градуирована справа налево, т.е. нуль на шкале расположен справа (рис. 1.1, г). Такая шкала используется, например, в аналоговых мультиметрах при отсчете значения сопротивления резисторов и емкости конденсаторов.

3. По положению нуля на шкале и направлению движения стрелки индикатора различают:

- односторонняя шкала - это шкала, стрелка индикатора которой при измерении отклоняется только в одну сторону от нуля (рис. 1.1, д). Такая шкала является самой распространенной;

- двухсторонняя шкала - это шкала, стрелка индикатора при измерении которой отклоняется как влево, так и вправо от нуля. Причем отклонение влево от нуля дает отрицательные значения измеряемой величины, а отклонение вправо - положительные (рис. 1.1, е). Такую шкалу имеют индикаторы аналоговых измерительных мостов и гальванометры;

- безнулевая шкала - это шкала, на которой отсутствует нулевая отметка (рис. 1.1, ж). Такую шкалу имеют электромеханические частотомеры, генераторы, градуированные по частоте, длительности импульсов, временному сдвигу.

Электромеханические и электронные АИП достаточно широко распространены в метрологической практике. Приборы и их шкалы характеризуются рядом основных показателей.

Деление шкалы - это промежуток между двумя соседними отметками шкалы.

Цена деления шкалы (постоянная прибора) , С, указывает число единиц измеряемой величины, приходящееся на одно деление шкалы (рис.1.2):

Рис. 1.2. Определение цены деления шкалы

(1.2),

где А 1 , А 2 - соседние оцифрованные деления;

n - количество делений между двумя цифрами.

На примере (см. рис. 1.2) цена деления шкалы составляет

В неравномерной шкале цену деления находят на участке шкалы (только не в начале) между двумя соседними оцифрованными делениями.

Шаг шкалы - это интервал оцифрованных делений на шкале прибора. Например, если на шкале индикатора нанесены оцифрованные деления 0-10-20-30-40-50, то шаг шкалы равен 10.

Рабочий участок шкалы - это участок, в пределах которого погрешность прибора не выходит за указанный класс точности. Для шкалы миллиамперметра, показанной на рис. 1.3, а, рабочим участком является участок от 10 до 50 мА (он же является диапазоном измерения в однопредельном приборе). Для шкалы вольтметра, показанной на рис. 1.3 б, рабочим участком является участок от 3 до 10 В. На рабочем участке завод-изготовитель приборов гарантирует заявленный класс точности с первого оцифрованного деления шкалы аналогового индикатора.

Рис. 1.3. Шкалы аналоговых приборов с разными рабочими участками: миллиамперметра (а), и вольтметра (б)

Чувствительность, s, прибора по измеряемому параметру показывает число делений шкалы, приходящееся на единицу измеряемой величины, т.е. является величиной, обратной цене деления:

(1.3).

Чувствительность многопредельного прибора определяют на самом малом пределе измерения.

Частотный диапазон прибора необходимо знать для правильного его использования и для получения наименьшей погрешности измерения. Частотный диапазон - это полоса частот, в пределах которой погрешность прибора, полученная при изменении частоты сигнала, не превышает допустимого предела. Различают приборы для работы в цепях постоянного тока, переменного тока и универсальные (используемые в цепях постоянного и переменного тока).

Для приборов, работающих в цепях постоянного тока, частота равна пулю; для приборов, работающих в цепях переменного тока, и универсальных приборов на шкале индикатора и в паспорте обычно указывается частотный диапазон.

Внутреннее сопротивление прибора (амперметра, вольтметра) обычно указывается в паспорте и на лицевой панели (прямо или косвенно). Для амперметров характерно малое сопротивление R A , для вольтметров - большое сопротивление R В .

Потребляемая прибором мощность определяется по следующим формулам:

для амперметра (1.4),

а для вольтметров (1.5).

Чем потребляемая мощность меньше, тем точнее измерение.

Потребляемый вольтметром ток выражается формулой:

Падение напряжения на амперметре формулой:

(1.7).

Рабочее положение прибора может быть разным:

Горизонтальным (на шкале обозначается символами или );

Вертикальным (на шкале обозначается символами или );

Наклонным (на шкале обозначается символом с указанием угла наклона).

Если допускается любое рабочее положение, то обозначение отсутствуют.

Расшифровка знаков и символов, указанных на лицевой панели прибора приведена в табл.1.2.

Табл. 1.2. Условные обозначения на шкалах электроизмерительных приборов

Предел измерений параметра, А max - это наибольшее значение диапазона измерений.

Диапазон измерений параметра - это область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности АИП.

Методы измерений.

В зависимости от способа обработки экспериментальных данных измерений для получения результата различают следующие виды измерений − прямые, косвенные, совместные, совокупные и измерения корреляционно связанных величин.

Прямое измерение − это измерение, при котором значение величины находят непосредственно из опытных данных в результате выполнения измерения. Пример прямого измерения − измерение вольтметром напряжения источника.

Косвенное измерение − это измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. При косвенном измерении значение измеряемой величины получают путем решения уравнения y = F(x 1 ,x 2 ,x 3 ,...,x n), где x 1 ,x 2 ,x 3 ,...,x n − значения величин, полученные в результате прямых измерений.

Пример косвенного измерения − сопротивление резистора находят из выражения , в которое подставляют результат прямых измерений падения напряжения U и протекающего через резистор тока I.

Совместные измерения − одновременные измерения значений нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними. Например, требуется определить градуировочную характеристику термосопротивления.

Совокупные измерения − одновременные измерения нескольких значений одноименных величин, при которых искомое значение находят решением системы уравнений, составленных по результатам прямых измерений различных сочетаний значений этих величин.

Измерение корреляционно связанных величин − измерение значений семейства функций х k (t) и у k (t), являющихся реализациями процессов Р х и Р у с целью установления взаимосвязи между ними.

Наличие взаимосвязи выражается в том, что в определенный момент времени t 0 существует такой параметр, при котором реализации процессов Р х и Р у совмещаются наилучшим способом.

Методы измерения выделяются в зависимости от их взаимодействия с мерой, их классификация показана на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Классификация методов измерения

Метод измерения - совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Измерения производятся одним из двух методов: методом непосредственной оценки или методом сравнения с мерой.

Метод непосредственной оценки - метод, при котором значение искомой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора. Пример метода непосредственной оценки - измерение тока амперметром.

Метод сравнения с мерой - метод измерения, при котором измеряемую искомую величину сравнивают с однородной величиной, воспроизводимой мерой. Метод сравнения с мерой имеет ряд разновидностей:

Дифференциальный метод,

Нулевой метод,

Метод замещения,

Совпадения.

Нулевой метод – это метод, в котором разность между измеряемой величиной и воспроизводимой мерой сводится к 0.

Рис. 1.5. Структурная схема нулевого метода,

где НИ – нуль-индикатор; Е х – объект измерения; U о – мера.

Полярность важна: здесь устройства включены встречно; мы подбираем такую меру, выходной сигнал которой равен сигналу объекта измерения (т.е. i НИ =0). Разность измеряемой величины и величины воспроизводимой мерой в процессе измерения сводится к нулю, что фиксируется с помощью нуль-индикатора. Результат измерения равен значению меры.

Метод обеспечивает высокую точность, если мера обладает высокой точностью, а НИ – высокой чувствительностью. Обычно

Подобный метод лежит в основе построения измерительных мостов. Достоинство метода – точность.

При дифференциальном методе , так же как и при нулевом, измеряемая величина находится путем измерения разницы между искомой величиной и непосредственно или косвенно с мерой.

Рис 1.6. Структурная схема дифференциального метода.

Разность измеряемой величины и величины воспроизводимой мерой измеряется с помощью средства измерения – вольтметра (на рис. 1.6.). Результат определяется как сумма показания средства измерения и величины воспроизводимой мерой . Для этого метода

Метод замещения – метод, при котором измеряемая величина замещается воспроизведенной мерой.

Рис 1.7. Структурная схема метода замещения,

где R x – объект измерения; R 0 – мера.

В зависимости от положения ключа К можно записать уравнение:

i x R x =u пит, i o R o =u пит.

Откуда i x R x =i o R o ,

Примером применения метода замещения может быть измерение сравнительно большого электрического сопротивления на постоянном токе путем поочередного измерения силы тока, протекающего через контролируемый резистор и образцовый. Питание цепи при измерениях должно производится от одного и того же источника тока. Сопротивление источника тока и прибора, измеряющего ток, должно быть очень мало по сравнению с изменяемым и образцовым сопротивлением.

Метод совпадений – это такой метод, при котором измеряемая величина определяется по периодическим сигналам или специальным шкалам. Фигура Лиссажу – классический пример метода совпадений.

Классификация измерительных приборов.

Электроизмерительные приборы различаются по следующим признакам:

По роду измеряемой величины;

По роду тока;

По степени точности;

По принципу действия;

По способу получения отсчета;

По характеру применения.

Кроме этих признаков, электроизмерительные приборы можно также отличать:

По способу монтирования;

По способу защиты от внешних магнитных или электрических полей;

По выносливости в отношении перегрузок;

По пригодности к применению при различных температурах;

По габаритным размерам и другим признакам.

Для измерения электрических величин применяются различные электроизмерительные приборы, а именно:

Тока - амперметр;

Напряжения - вольтметр;

Электрического сопротивления - омметр, мосты сопротивления;

Мощности - ваттметр;

Электрической энергии - счетчик;

Частоты переменного тока - частотомер;

Коэффициента мощности - фазометр.

По роду тока приборы делятся на приборы постоянного тока, приборы переменного тока и приборы постоянного и переменного тока.

По степени точности приборы делятся на девять классов:0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5 и 4 . Цифры указывают значение допустимой приведенной погрешности в процентах.

По принципу действия приборы подразделяются на: магнитоэлектрические; электромагнитные; электродинамические (ферромагнитные); индукционные и другие.

По способу получения отсчета приборы могут быть с непосредственным отсчётом и самозаписывающие.

По характеру применения приборы делятся на стационарные, переносные и для подвижных установок.

Тема 1.2. Метрологические показатели средств измерений.

Общими характеристиками электроизмерительных приборов являются их погрешности, вариация показаний, чувствительность к измеряемой величине, потребляемая мощность, время установления показаний и надежность.

Вариация показаний прибора - это наибольшая разность показаний прибора при одном и том же значении измеряемой величины. Она определяется при плавном подходе стрелки к испытуемой отметке шкалы при движении ее один раз от начальной, а второй раз от конечной отметок шкалы. Вариация показаний характеризует степень устойчивости показаний прибора при одних и тех же условиях измерения одной и той же величины. Она приближенно равна удвоенной погрешности от трения, так как причиной вариации в основном является трение в опорах подвижной части.

Чувствительность электроизмерительного прибора к измеряемой величине х называется производная от перемещения указателя а по измеряемой величине x . Перемещение указателя а , которое выражается в делениях или миллиметрах шкалы, для обширной группы приборов определяется, в первую очередь, углом отклонения подвижной части измерительного механизма. Кроме того, оно зависит от типа отсчетного устройства и его характеристик (стрелочный или световой указатель, длина шкалы, число делений шкалы и др.).

Чувствительность собственно механизма приборов этой группы (независимо от применяемого отсчетного устройства) равна:

(1.9)

Выражением определяется чувствительность прибора в данной точке шкалы. Если чувствительность постоянна, т.е. не зависит от измеряемой величины, то ее можно определить из выражения

В этом случае чувствительность прибора численно равна перемещению указателя, соответствующему единице измеряемой величины. У приборов с постоянной чувствительностью перемещение указателя пропорционально измеряемой величине, т.е. шкала прибора равномерна.

Чувствительность прибора имеет размерность, зависящую от характера измеряемой величины, поэтому, когда пользуются термином «чувствительность», говорят «чувствительность прибора к току», «чувствительность прибора к напряжению» и т.д. Например, чувствительность вольтметра к напряжению равна 10 дел./В.

Величина, обратная чувствительности, называется ценой деления (постоянной) прибора. Она равна числу единиц измеряемой величины, приходящихся на одно деление шкалы:

Например, если S =10 дел./В, то С -0,1 В/дел.

При включении электроизмерительного прибора в цепь, находящуюся под напряжением, прибор потребляет от этой цепи некоторую мощность. В большинстве случаев эта мощность мала с точки зрения экономии электроэнергии. Но при измерении в маломощных цепях в результате потребления приборами мощности может измениться режим работы цепи, что приведет к увеличению погрешности измерения. Поэтому малое потребление мощности от цепи, в которой осуществляется измерение, является достоинством прибора.

Мощность, потребляемая приборами в зависимости от принципа действия, назначения прибора и предела измерения, имеет самые различные значения и для большинства приборов лежит в пределах от 10 -12 до 15 Вт.

После включения электроизмерительного прибора в электрическую цепь до момента установления показаний прибора, когда можно произвести отсчет, проходит некоторый промежуток времени (время успокоения). Под временем установления показаний следовало бы понимать тот промежуток времени, который проходит с момента изменения измеряемой величины до момента, когда указатель займет положение, соответствующее новому значению измеряемой величины. Однако если учесть, что всем приборам присуща некоторая погрешность, то время, которое занимает перемещение указателя в пределах допустимой погрешности прибора, не представляет интереса.

Под временем установления показаний электроизмерительного прибора понимается промежуток времени, прошедший с момента подключения или изменения измеряемой величины до момента, когда отклонение указателя от установившегося значения не превышает 1,5% длины шкалы. Время установления показаний для большинства типов показывающих приборов не превышает 4 с.

Цифровые приборы характеризуются временем измерения , под которым понимают время с момента изменения измеряемой величины или начала цикла измерения до момента получения нового результата на отсчетном устройстве с нормированной погрешностью.

Под надежностью электроизмерительных приборов понимают способность их сохранить заданные характеристики при определенных условиях работы в течение заданного времени. Если значение одной или нескольких характеристик прибора выходит из заданных предельных значений, то говорят, что имеет место отказ. Количественной мерой надежности является минимальная вероятность безотказной работы прибора в заданных промежутке времени и условиях работы.

Вероятностью безотказной работы называется вероятность того, что в течение определенного времени Т непрерывной работы не произойдет ни одного отказа. Время безотказной работы указано в описаниях приборов. Часто пользуются приближенным значением этого показателя, определяемым отношением числа приборов, продолжающих после определенного времени Т безотказно работать, к общему числу испытываемых приборов. Например, для амперметров и вольтметров типа Э8027 минимальное значение вероятности безотказной работы равно 0,96 за 2000 ч. Следовательно, вероятность того, что прибор данного типа сохранит заданные характеристики после 2000 ч работы, составляет не менее 0,96, иными словами, из 100 приборов данного типа после работы в течение 2000 ч, как правило, не более четырех приборов будут нуждаться в ремонте,

К показателям надежности относят также среднее время безотказной работы прибора , которое определяется как среднее арифметическое время исправной работы каждого прибора.

Обычно, когда приборы начинают выпускать серийно, некоторая небольшая часть их отбирается для испытаний на надежность. Показатели надежности, определенные по результатам этих испытаний, присваивают всей серии приборов.

Гарантийным сроком называют период времени, в течение которого завод-изготовитель гарантирует исправную работу изделия при соблюдении правил эксплуатации прибора. Например, для микроамперметров типа М266М предприятие-изготовитель гарантирует безвозмездную замену или ремонт прибора в течение 36 мес со дня отгрузки с предприятия, а для частотомеров типа Э373 этот срок составляет 11 лет.

Виды и характеристики измерений

Более подробное рассмотрение измерений начнем с классификации. В таблице 1 приведена многоаспектная классификация видов измерений. Каждый столбец таблицы -с пособ классификации. В первой строкезаписан вопрос, отвечая на который мы будем классифицировать. Ниже - различные варианты ответов. Такая таблица разбивает все множество измерений на относительно однородные группы, соответствующие комбинациям ответов на все вопросы из «шапки».

Таблица 1

Некоторые комбинации ответов недопустимы. Например, в результате сплошного разрушающего контроля мы уничтожим всю продукцию.

Характеристики измерений.

Характеристика

Отсутствие какой либо из перечисленных характеристик делает оставшуюся информацию бессмысленной, так как не дает представления о том, какое именно измерение имеется в виду.

Точность измерений.

Важнейшейметрологическойхарактеристикойявляетсяточностьизмерения П оэтому рассмотрим ее суть и проблемы определения точности более подробно.

Величина получившая название погрешность измерения, характеризует зависимость результата измерения

отнеучтенных факторов. Если модель построена удачно (в таких случаях принято говорить, что модель адекватнаобъекту реального мира и абсолютное значение величинысущественно меньше модуля измеряемой величины.

Характеристики распределения случайной величины

Различные случайные величины имеют различный разброс своих значений. Наглядно это показывает различная ширина «шляп». В теории вероятности рассматриваются несколько характеристик случайных величин:

Среднее значение - предел отношения суммы всех значений к общему числу наблюдений:

X cp =Lim(IX m )/N

Дисперсия - мера разброса значений случайной величины, определяется как среднее значение квадрата отклонения случайной величины от ее среднего значения:

D=Lim(I(X m -X cp ) 2 /N)

N -> oo

«Введенное Вовсе не

представления погрешности:

Абсолютная погрешность - измеряется в тех же единицах что и измеряемая величина.Характеризуетвеличинувозможногоотклоненияистинногозначения измеряемой величины от измеренного.

Относительная погрешность - отношение абсолютной погрешности к значению величины. Если мы хотим определить погрешность на всем интервале измерений, мы должнынайтимаксимальноезначениеотношениянаинтервале.Измеряетсяв безразмерных единицах.

Класс точности - относительная погрешность, выраженная в процентах. Обычно значения класса точности выбираются из ряда: 0,1; 0,5: 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 ...

Погрешности измерений и теория вероятности

Рассмотрим, как располагаются значения, вокруг среднего значения. Для этого проведем серию замеров

одной и той же величины и отобразим их результаты на таблице. Допустим, мы измеряем длину вала, номинальное (модельное) значение которой равно 100 мм. Возьмем листок бумаги «в клеточку» и в нижней его

части проведем ось. Посередине поставим значение 100, а слева и справа последовательность значений с

шагом 0,01 мм. Измерив значение величины, мы поставим крестик в клеточки над этим значением. Если

результаты последующих измерений будут равняться тому же значению, крестик поставим клеточкой выше.

Такой метод называется «Метод контрольных листков»и широко применяется на практике при анализе

причин появления некачественной продукции.

Рис.Контрольный листок

В нашем примере значение 99.99 встретилось 7 раз, 100,02 - 2 раза, а 100,05 ни разу.

Проделав достаточно большое число замеров, мы получим «горку». Изучив, таким образом, множество измерений совершенно различных величин, мы заметим, что форма «горки»оказывается схожей для всех них.

Впервые дал этому математическое объяснение немецкий математик Гаусс. Но прежде чем рассказывать о его исследованиях нам придется познакомиться с основными понятиями теории вероятности. Вы будете

подробно изучать этот курс. Поэтому сейчас мы остановимся только на некоторых, нужных для понимания метрологии, понятиях и фактах.

D=Lim(I(X m -X cp ) 2 /N)

N -> oo

Отступление для программистов. Как бороться с грубыми ошибками?

При организации ввода данных в нашу информационную систему мы можем использовать вероятностный метод выявления грубых ошибок в данных. Организуем ввод данных так, чтобы сразу считать Х ср идля уже введенных данных. Тогда, при появлении значения отличающегося от среднего больше чем на допустимое, программа выдает сообщение: «Введенное значение маловероятно! Пожалуйста, проверьте правильность ввода». Вовсе не обязательно, что мы ошиблись. Но проверить стоит. Таким образом, компьютер обращает внимание оператора на маловероятную информацию.

Способы представления погрешности

В зависимости от решаемых задач используются несколько способов

Методы измерения (МИ) – способ получения результата измерений путем использования принципов и средств измерений.

МИ подразделяются на

Метод непосредственной оценки

Значение измеряемой величины снимается непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия.

Преимущество – быстрота измерений, обусловливающая незаменимость для практического применения. Недостаток – ограниченная точность.

Метод сравнения с мерой

Измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Пример: измерение длины линейкой.

Преимущество – большая точность измерения, чем при методе непосредственной оценки. Недостаток – большие затраты времени на подбор мер.

Метод противоставления

Измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, единовременно действует на прибор сравнения, с помощью которого устанавливают соотношение между этими величинами.

Например, взвешивание на равноплечных весах, при котором измеряется масса, определяется как сумма массы гирь, ее уравновешивающих, и показаний по шкале весов.

Преимущество – уменьшение воздействия на результаты измерения факторов, влияющих на искажение сигналов измерительной информации. Недостаток – увеличение времени взвешивания.

Дифференциальный (разностный) метод

Характеризуется разностью измеряемой и известной (воспроизводимой мерой) величинами. Например, измерение путем сравнения с рабочим эталоном на компаторе, выполняемые при поверке мер длины.

Преимущество - получение результатов с высокой точностью, даже при применении относительно грубых средств для измерения разности.

Нулевой метод

Метод сравнения с мерой, в которой результирующий эффект воздействия на прибор сравнения доводят до нуля.

Метод совпадения

Метод сравнения с мерой, в которой разность между значениями искомой и воспроизводимой мерой величин измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.

Преимущество – метод позволяет существенно увеличить точность сравнения с мерой. Недостаток – затраты на приобретение более сложных СрИзм, необходимость наличия профессиональных навыков у оператора.

Метод замещения

Основан на сравнении с мерой, при котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой, сохраняя все условия неизменными. Например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов.

Преимущества – погрешность измерений мала, так как определяется в основном погрешностью меры и зоной нечувствительности прибора (ноль – индикатор). Недостаток – необходимость применения многозначных мер.

Косвенный метод измерения

Измерение физической величины одного наименования, связанной с другой искомой величиной, определенной функциональной зависимостью, с последующим расчетом путем решения управления. Косвенные методы широко применяются при химических методах испытания.

Преимущества – возможность измерения величин, для которых отсутствуют методы непосредственной оценки или они не дают достоверных результатов или связаны со значительными затратами. Недостатки – повышенные затраты времени и средств на измерение.

1.6. Организация Государственной метрологической службы

Государственная метрологическая служба России (ГМС) представляет собой совокупность государственных метрологических органов и создаётся для управления деятельностью по обеспечению единства измерений.

Общее руководство ГМС осуществляет Госстандарт РФ, на который Законом «Об обеспечении единства измерений» возложены следующие функции:

• Межрегиональная и межотраслевая координация деятельности по обеспечению единства измерений;
• Установление правил создания, утверждения, хранения и применения эталонов единиц величин;
• Определение общих метрологических требований к средствам, методам и результатам измерений;
• Государственный метрологический контроль и надзор;
• Контроль за соблюдением условий международных договоров РФ о признании результатов испытаний и проверки средств измерений;
• Утверждение нормативных документов по обеспечению единства измерений;
• Утверждение государственных эталонов;
• Установление межповерочных интервалов средств измерений;
• Отнесение технических устройств к средствам измерений;
• Установление порядка разработки и аттестации методик выполнения измерений;
• Ведение и координация деятельности Государственных научных метрологических центров (ГНМЦ).
• Аккредитация государственных центров испытаний средств измерений;
• Утверждение типа средств измерения;
• Ведение Государственного реестра средств измерений;
• Установление порядка лицензирования деятельности юридических и физических лиц по изготовлению, ремонту, продаже и прокату средств измерений;
• Организация деятельности и аккредитация метрологических служб юридических лиц на право проведения калибровочных работ;
• Планирование и организация выполнения метрологических работ;

В состав ГМС входят семь государственных научных метрологических центров, Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы (ВНИИМС) и около 100 центров стандартизации и метрологии.

Деятельностью этих служб руководит Госстандарт РФ , который координирует их работу с работой ГМС на основе единой технической политики.

Права и обязанности

Права и обязанности структурных подразделений метрологической службы в центральном аппарате, в головных и базовых организациях метрологической службы, а также на предприятиях и в организациях определяются Положением о метрологической службе государственного органа управления или юридического лица, утверждаемые их руководителем.

Деятельность метрологических служб поддерживается законодательными и нормативными документами, регламентирующими различные направления, в том числе по метрологическому обеспечению производства и сертификации систем качества; эталонами и средствами измерений, контроля и испытаний; специалистами, имеющими профессиональную специальную подготовку, квалификацию и опыт в выполнении метрологических работ и услуг.

Финансрование

Финансирование работ по выполнению задач головной организацией осуществляется из централизованных фондов соответствующего государственного органа управления, а для базовой организации – из специально создаваемых внебюджетных фондов.

Метрологические службы предприятий могут быть аккредитованы на право калибровки средств измерений на основе договоров, заключаемых с государственными научными метрологическими центрами или органами ГМС.

Рис. 3. Классификация видов измерений

Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. Примерами прямых измерений являются определения длины с помощью линейных мер или температуры термометром. Прямые измерения составляют основу более сложных косвенных измерений.

Косвенное измерение – измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, полученными прямыми измерениями, например, тригонометрические методы измерения углов, при которых острый угол прямого треугольника определяют по измеренным длинам катетов и гипотенузы или измерение среднего диаметра резьбы методом трех проволочек или, мощности электрической цепи по измеренным вольтметром напряжению и амперметром силе тока, используя известную зависимость. Косвенные измерения в ряде случаев позволяют получить более точные результаты, чем прямые измерения. Например, погрешности прямых измерений углов угломерами на порядок выше погрешностей косвенных измерений углов с помощью синусных линеек.

Совместными называют производимые одновременно измерения двух или нескольких разноименных величин. Целью этих измерений является нахождение функциональной связи между величинами.

Пример 1. Построение градуировочной характеристики y = f(x) измерительного преобразователя, когда одновременно измеряются наборы значений:

X 1 , X 2 , X 3 , …, X i , …,X n

Y 1 , Y 2 , Y 3 , …, Y i , …,Y n

Пример 2 . Определение температурного коэффициента сопротивления путем одновременного измерения сопротивления R и температуры t , а затем определение зависимости a(t) = DR/Dt :

R 1 , R 2 , …, R i , …, R n

t 1 , t 2 , …, t i , …, t n

Совокупные измерения осуществляются путем одновременного измерения нескольких одноименных величин, при которых искомое значение находят решением системы уравнений, получаемых в результате прямых измерений различных сочетаний этих величин.

Пример: значение массы отдельных гирь набора определяют по известному значению массы одной из гирь и по результатам измерений (сравнений) масс различных сочетаний гирь.

Имеются гири массами m 1 , m 2 , m 3 .

Масса первой гири определится следующим образом:

Масса второй гири определится как разность массы первой и второй гирь М 1,2 и измеренной массы первой гири :

Масса третьей гири определится как разность массы первой, второй и третьей гирь (M 1,2,3 ) и измеренных масс первой и второй гирь ():

Часто именно этим путем добиваются повышения точности результатов измерения.

Совокупные измерения отличаются от совместных только тем, что при совокупных измерениях одновременно измеряют несколько одноименных величин, а при совместных – разноименных.

Совокупные и совместные измерения часто применяют при измерении различных параметров и характеристик в области электротехники.

По характеру изменения измеряемой величины бывают статические, динамические и статистические измерения.

Статические – измерения неизменных во времени ФВ например, измерение длины детали при нормальной температуре.

Динамические – измерения изменяющихся во времени ФВ, например измерение расстояния до уровня земли со снижающегося самолета, или напряжение в сети переменного тока.

Статистические измерения связаны с определением характеристик случайных процессов, звуковых сигналов, уровня шумов и т.д.

По точности существуют измерения с максимально возможной точностью, контрольно-поверочные и технические.

Измерения с максимально возможной точностью – это эталонные измерения, связанные с точностью воспроизведения единиц физической величины, измерения физических констант. Эти измерения определяются существующим уровнем техники.

Контрольно–поверочные – измерения, погрешность которых не должна превышать некоторое заданное значение. К ним относятся измерения, выполняемые лабораториями государственного надзора за внедрением и соблюдением стандартов и состоянием измерительной техники, измерения заводскими измерительными лабораториями и другие, осуществляемые при помощи средств и методик, гарантирующих погрешность, не превышающую заранее заданного значения.

Технические измерения – измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений (СИ). Это наиболее массовый вид измерений, проводится с помощью рабочих СИ, погрешность которых заранее известна и считается достаточной для выполнения данной практической задачи.

Измерения по способу выражения результатов измерений могут быть также абсолютными и относительными.

Абсолютное измерение – измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин, а также на использовании значений физических констант. При линейных и угловых абсолютных измерениях, как правило, находят одну физическую величину, например, диаметр вала штангенциркулем. В некоторых случаях значения измеряемой величины определяют непосредственным отсчетом по шкале прибора, отградуированного в единицах измерения.

Относительное измерение – измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы. При относительном методе измерений производится оценка значения отклонения измеряемой величины относительно размера установочной меры или образца. Примером является измерение на оптиметре или миниметре.

По числу измерений различают однократные и многократные измерения.

Однократные измерения – это одно измерение одной величины, т.е. число измерений равно числу измеряемых величин. Практическое применение такого вида измерений всегда сопряжено с большими погрешностями, поэтому следует проводить не менее трех однократных измерений и находить конечный результат как среднее арифметическое значение.

Многократные измерения характеризуются превышением числа измерений количества измеряемых величин. Обычно минимальное число измерений в данном случае больше трех. Преимущество многократных измерений – в значительном снижении влияний случайных факторов на погрешность измерения.

Приведенные виды измерений включают различные методы, т.е. способы решения измерительной задачи с теоретическим обоснованием по принятой методике.