2029

-совместные;

-совокупные.

Прямыми называют измерения, уравнения которых имеют вид (для аналоговой измерительной техники):

X = n C,

где X - измеряемая величина; n - число делений, на которое отклонился указатель;

C - цена одного деления.

Прямое измерение - измерение, при котором искомое значение ф.в. находят непосредственно из опытных данных.

Прямые измерения выполняют при помощи приборов проградуированных в установленных единицах физических величин или при непосредственном сравнении с мерой. Например, изменение тока, напряжения соответственно амперметром и вольтметром.

Градуировка –экспериментальное определение градуировочной характеристики средства измерений или операция нанесения отметок на шкалу. Иногда вместо термина “градуировка” применяют термин “тарировка”. Последний не рекомендуется к применению.

Обычно прямые измерения просты и не требуют дополнительных операций для получения числового значения физической величины. Однако постановка прямых измерений может сопровождаться сложностью эксперимента или может оказаться невозможной.

Косвенными измерениями называют измерения, уравнения которых представляют измеряемую величину в виде явной функции одного или нескольких аргументов.

В число последних могут входить величины, измеряемые прямым путем, а также постоянные (физические константы, поправки).

Уравнение косвенных измерений имеет вид

= f(Y,Z,V…a,b,c),

где Y,Z,V – измеряемые величины; a,b,c – постоянные.

Косвенное измерение - измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям.

ПРИМЕР 1. Определение плотности однородного тела по его массе и геометрическим размерам (объему).

ПРИМЕР 2. Определение удельного электрического сопротивления материала провода по его сопротивлению R, длине l и площади поперечного сечения S:

= R Sl .

ПРИМЕР 3. Определение электрического сопротивления участка цепи по току и падению напряжения, то есть с помощью вольтметра и амперметра.

21

ПРИМЕР 4. Количество тепла, выделяемого в резисторе за известное время проще оценить по формуле:

Q = I2Rt.

По значениям I, R, t, непосредственно измеряемым соответствующими приборами.

ПРИМЕР 5. При отсутствии расходомера расход жидкости V через трубопровод можно оценить, измерив количество жидкости Q в мерном цилиндре, за время t по формуле:

V=Q/t.

Обычно косвенные измерения применяются в тех случаях, когда значения физических величин невозможно измерить непосредственно, а также в тех случаях, когда путем косвенных измерений можно получить более точный результат, чем при прямом измерении.

Совместными измерениями называются измерения одновременно двух или нескольких величин, уравнения, измерения которых образуют систему независимых уравнений:

F1 (x, y1 , z1... , b1.....) 0 .F2 (x, y2 , z2 ... , b2 ...) 0

Функции F1 и F2 могут быть как одинаковыми, так и разными. Величины y1, z1 …; y2 , z2 измеряются прямым путем, то есть непосредственно, а X и – вычисляются.

При таких измерениях минимальное число опытов, очевидно, должно быть равно числу неизвестных величин.

Например, еще из школьной физики нам известна зависимость проводников от температуры

Rт = R0 + .

Ставится задача определить и R0 ( есть ТКR, R0 – сопротивление при температуре20 0С).

Для этого составляется система уравнений

R 1 R 0 ( 1 20) .

R 2 R 0 ( 2 20)

Измеряя прямым путем, сопротивления Rт1 и Rт2 и температуры Т1 и Т2, и решая систему уравнений, находят значения R0 и температурного коэффициента сопротивления .

Совокупные измерения – вычисление искомой величины с помощью известных физических зависимостей этой величины и величин измеряемых непосредственно.

Для выполнения таких измерений составляется система уравнений. Например, сопротивление отрезка провода R можно вычислить по

следующим формулам:

22

Здесь U – напряжение, I – ток, Р – мощность, падающая на сопротивлении провода.

Искомое значение R вычисляется как среднее арифметическое значение из результатов, полученных по формулам.

Для нашей системы уравнений:

характеристиками СИ, совместно применяемых при измерениях, например, в измерительных и испытательных установках, различают:

- равноточные измерения; - неравноточные измерения;

Предпочтительны равноточные измерения. Однако не всегда имеется возможность укомплектования измерительных установок, а также рабочих мест соизмеримыми по точности средствами измерений.

При неравноточных измерениях возникает ситуация, когда за достоверное значение измеряемой величины не может быть принято среднее арифметическое значение из всех полученных результатов.

В этом случае вводят понятие “веса” измерения. “Вес” измерения – это число (коэффициент) при результате единичного измерения. При статических измерениях – коэффициент при результате каждого наблюдения. Чем больше “вес” измерения, тем большее число ему приписывается, как более значимому результату.

Наиболее достоверное значение измеряемой величины вычисляется по формуле:

Xср= p1 X 1 p2 X 2 p3 X 3 ... , p1 p2 p3 ...

где X1, X2, X3,… – результаты измерений (среднее арифметические при многократных измерениях), Xср – взвешенное среднее, p1, p2, p3… – “веса результатов”. Критерием вычисления “веса” служит среднее квадратическое отклонение ( ) каждого измерения (единичного наблюдения).

Численное значение “веса” каждого измерения вычисляется как обратнопропорциональное значение квадрату с. к. о.

рi = 12 .

i

23

При многократных наблюдениях “вес” устанавливается пропорционально числу наблюдений, принятых для вычисления оценки среднего арифметического каждого ряда наблюдений.

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Измерение как эксперимент предполагает необходимость совместного применения методов (методик, приемов) и средств.

Метод – это совокупность приемов (алгоритм) использования средств измерений.

Современная метрология все методы измерений сводит к двум группам методов:

-метод непосредственной оценки, то есть метод косвенного сравнения с мерой;

-методы сравнения, то есть методы прямого сравнения с мерой.

Кметодам непосредственной оценки, относят такие, при которых искомые величины измеряют при помощи СИ заранее проградуированных в значениях измеряемых величин. Например, измерение силы тока или других физических величин с помощью стрелочных приборов.

Кметодам сравнения относятся такие, при которых измеряемые величины сравнивают с мерами, то есть любой метод сравнения предполагает обязательное присутствие меры при измерении. Следовательно, если измерительный прибор работает на принципе сравнения, то присутствие меры в его схеме или в комплекте – обязательно. Присутствие меры обеспечивает более высокую точность измерения.

В зависимости от способа сравнения измеряемой величины с мерой часто применяют следующие методы сравнения.

1.Нулевой методметод сравнения с мерой, при котором результирующий эффект воздействия величин на устройство сравнения (индикатор) доводят до нуля.

ПРИМЕР 1 Измерение электрического сопротивления постоянному току с помощью уравновешения мостовой электрической схемы (рис.

1.2).

где R1, R2, R3- суть меры электрического сопротивления.

В качестве нуль - индикатора ,в измерительных мостах постоянного тока, применяют высокочувствительные гальванометры.

ПРИМЕР 2. Измерение ЭДС, напряжений и связанных с ними величин компенсаторами (потенциометрами). В этих приборах измеряемое напряжение

24

уравновешивается (компенсируется) напряжением с образцового стабильного источника или с ЭДС специального гальванического элемента (так называемого нормального гальванического элемента).

К недостатку нулевого метода следует отнести необходимость применения переменных мер.

2. Дифференциальный метод - метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой.

Рассмотрим этот метод на примере измерения неизвестной ЭДС (рис. 1.3). На рис. 1.3 Е0 - мера постоянного напряжения. Например, нормальный гальванический элемент, ЭДС которого известна и гарантируется ее стабильность в течение ряда лет (Е0 = 1,0185В).

В дифференциальном методе происходит неполное уравновешивание измеряемой величины:

Относительная погрешность измерения Ex:

Таким образом за счет присутствия меры (без учета неточности ее номинала), можно достаточно точно измерить неизвестную э. д. с., с помощью обычного милливольтметра. При этом мера может быть однозначной, то есть постоянной. Это достоинство дифференциального метода.

3. Метод замещения – метод сравнения с мерой, в которой измеряемую величину замещают известной, воспроизводимой мерой.

Метод заключается в поочередном воздействии измеряемой величины и меры на индикатор. Значение измеряемой величины определяют по отношению показаний индикатора умноженному на значение меры.

ПРИМЕР. Для измерения сопротивления резистора Rx собирают мостовую электрическую схему и уравновешивают мост, причем резисторы в трех плечах моста могут быть ограниченной точности. После уравновешивания схемы вместо Rx подключают магазин сопротивлений, то есть меру сопротивления и подбором значения магазина Rм снова уравновешивают мост. Значение Rx

25

снимают с магазина, так как Rx = Rм, следует заметить, что полное уравнение необязательно, важно запомнить отношение отклонений. Удобно это отношение принять равным 1. Погрешность определяется в основном погрешностью магазина сопротивлений.

4.Метод совпадений – метод сравнения с мерой, при котором значение измеряемой величины определяют, используя совпадения отметок шкал или частот периодических сигналов.

ПРИМЕРЫ Измерение геометрических размеров штангенциркулем: наблюдают совпадение отметок на шкалах линейки штангеля и нониуса (движка со шкалой).

Измерение частоты вращения стробоскопом, заключается в наблюдении совпадения положения какой-либо метки на стробоскопическом диске с концентрическими рядами меток в моменты вспышек лампы известной частоты. Если метка на объекте будет казаться неподвижной, что может быть достигнуто изменением частоты вспышек или угловой скоростью объекта, то время одного оборота объекта будет равно или пропорционально периоду вспышек импульсной лампы.

Погрешность измерения скорости вращения с помощью стробоскопа определяется нестабильностью частоты генератора импульсов тока, питающего лампу.

5.Метод противопоставления – метод сравнения, основанный на одновременном воздействии на прибор сравнения измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой, и последующем установлении соотношения между этими величинами.

КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Средства измерений – технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики.

Метрологические характеристики средств измерений – это характеристики свойств средств измерений, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений.

Номенклатура средств измерений многообразна и их классифицируют по различным признакам. Однако важнейшим признаком является точность. Поэтому, с учетом схемы передачи размеров физических величин, все средства измерений можно сгруппировать, с точки зрения точности, на три группы:

-эталоны;

-образцовые меры и измерительные приборы;

-рабочие меры и измерительные приборы.

Эталоны – средства измерений, предназначенные для хранения, воспроизводства единиц физических величин и передачи их размеров другим средствам измерений с максимально возможной, достижимой на современном этапе развития, точностью.

26

Образцовые средства измерений (меры и измерительные приборы)

предназначены для передачи единиц физических величин рабочим средствам измерений, через периодическую поверку и градуировку.

Обязательной периодической поверке не подлежат только средства измерений находящиеся в учебных учреждениях.

Рабочие средства измерений - предназначены для выполнения измерений при научных экспериментах, испытаниях и при производстве изделий во всех отраслях.

Эти средства являются предметом изучения в общетехнических дисциплинах метрологического профиля.

ВИДЫ РАБОЧИХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

1.Меры – средства измерений, предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера. Например, гиря – мера массы, высокоточный резистор – мера электрического сопротивления.

Меры бывают однозначные (нормальный гальванический элемент, генератор стабильной частоты) и многозначные (магазин сопротивлений, измерительный генератор), аналоговые и кодоуправляемые или цифровые (цифро-аналоговые преобразователи – ЦАП).

2.Измерительные приборы (ИП) – средства измерений, предназначенные для представления сигналов измерительной информации, в форме доступной для непосредственного восприятия оператором. Все ИП снабжаются отсчетными устройствами (шкалами с указателями, регистраторами, цифровыми отсчетными устройствами).

Следует различать следующие группы рабочих ИП:

а по принципу обработки сигнала:

-аналоговые – АИП,

-цифровые – ЦИП;

б по способу представления информации:

-показывающие,

-регистрирующие (самопишущие),

-печатающие,

-сигнализирущие, например, со звуковым или световым представлением результатов измерения или контроля;

в по принципу работы (построения схемы):

-прямого действия,

-сравнения.

Измерительные приборы – самый распространенный вид измерительных средств.

3. Измерительные преобразователи (ИПр) – средства измерений,

предназначенные для выработки сигналов измерительной информации в форме,

27

удобной для ее передачи, дальнейшего преобразования, обработки или хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию оператором.

Структура любого ИП состоит из ряда соединенных между собой определенным образом измерительных преобразователей, как элементов схемы.

Следует отличать ИПр от силовых преобразователей. Основным параметром любого силового преобразователя является его к. п. д., а ИПр – точность преобразования, то есть постоянство коэффициента преобразования. Здесь четко просматривается принципиальная разница между техникой вообще и измерительной техникой в частности.

Например, измеряется температура с помощью термоэлектрического эффекта. В простейшем случае структурная схема термометра может быть построена следующим образом (рис. 1.4).

Хнэв – измеряемая неэлектрическая величина

(температура); 1 – датчик с преобразователем–термопарой; Х – ЭДС термопары; 2 – усилитель постоянного тока; Y – выходное напряжение усилителя;3 – отсчетное устройство; – угол отклонения указателя

(показание прибора). Информация о температуре содержится в величине термо–ЭДС, так как ЕT

= f(t0)-C, поэтому важным параметром усилителя является стабильность его коэффициента усиления (К=Y/X).

Очевидно, что шкала индикатора справедлива только при строго расчетном, так называемом номинальном коэффициенте усиления усилителя, так как ее можно градуировать в градусах, только для = const.

Таким образом, следует различать силовой усилитель и измерительный усилитель. У последнего в обязательном порядке нормируются коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности с указанием допускаемых пределов их отклонения от номинальных значений.

Принципиально отличаются также по своим основным параметрам силовые и измерительные трансформаторы. Например, измерительный трансформатор тока, предназначенный для преобразования больших токов в относительно малые токи. Вторичная обмотка измерительного трансформатора тока нагружается на амперметр, то есть работает практически в режиме короткого замыкания (к. з.). Это обстоятельство накладывает особенности на его конструкцию и параметры. У измерительного трансформатора тока нормируется коэффициент его трансформации, так как в режиме к. з. коэффициент трансформации зависит не только от отношения числа витков, но и от тока первичной обмотки, которая включается в разрыв линии с

28

измеряемым током. При этом показания амперметра умножаются на коэффициент трансформации, величина которого зависит от тока в первичной обмотке. Измерительные трансформаторы имеют класс точности, указывающий допускаемые пределы изменения номинального коэффициента трансформации (множителя показаний амперметра) от измеряемого тока в линии.

4.Измерительные установки (ИУ) – совокупность функционально объединенных ИС (мер, ИП, Ипр) и вспомогательных устройств, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия оператором. Например, установка для измерения удельного сопротивления электротехнических материалов, установка для измерения параметров ферромагнитных материалов или диэлектриков.

Следует заметить, что ИУ могут быть стандартными и нестандартизированные. Последние в обязательном порядке подлежат метрологической аттестации.

К ИУ также следует отнести комплект измерительных средств собранных на рабочих местах регулировщиков, техников – ремонтников, инженеров – разработчиков и работников ОТК, соединенных между собой в единую схему для выполнения определенных работ.

5.Измерительные машины. Измерительные установки крупных размеров, предназначенные для точных измерений физических величин, характеризующих изделие. Например, силоизмерительная испытательная машина, машина для измерения больших геометрических размеров с высокой точностью при изготовлении гидро- и турбогенераторов для электростанций.

Такие измерительные машины обычно не транспортабельны, монтируются

иэксплуатируются на одном месте (цех, участок).

6.Информационно-измерительные системы (ИИС) – совокупность ИС

(мер, ИП, Ипр) и вспомогательных устройств (коммутаторов, устройств отображения информации и др.), соединенных между собой каналами связей, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и использования в автоматических системах и представления измерительной информации в форме удобной для контроля и принятия решений. Обычно это системы конкретного назначения:

-измерительные системы (ИС);

-системы автоматического контроля (САК);

-системы технической диагностики (СТД);

-системы опознания образов (СОО);

-системы для научных исследований (АСНИ).

Иногда информационно – измерительные системы называют измерительными системами. Следует заметить, что сокращенное название не отражает того обстоятельства, что в цепях и каналах ИИС происходит обмен не только измерительной информацией, но и сигналами управления.

29

7. Измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) –

автоматизированные средства измерений и обработки информации, предназначенные для контроля и испытаний сложных объектов, представляющие собой совокупность программно-управляемых технических средств (измерительных, вычислительных, программных, вспомогательных), имеющих блочно-модульную структуру, определенную организацию и связи, обеспечивающие получение, преобразование, накопление, обработку и выдачу измерительной, командной и другой информации в соответствующей форме, в том числе для воздействия на объект исследования.

Разновидности ИВК это АВК и УВК (автоматизированные и управляющие вычислительные комплексы) предназначенные для построения ИИС, АСУ, АСНИ. При этом могут применяться технические средства, не входящие в серийный ИВК. Например, в АСУП – это первичные измерительные каналы с датчиками, а в АСНИ – научные приборы (спектометры, анализаторы и др.), устройства воздействия на объект испытаний или исследований.

Следует отметить, что ИВК – не система, а универсальное СИ с общим программным обеспечением. Гибкость структуры и функций ИВК обеспечивается соответствующими программами. Это позволяет применять ИВК в гибких автоматизированных производствах (ГАП).

Все технические средства, входящие в ИВК, должны обладать следующими видами совместимостей: энергетической, информационной, конструктивной, метрологической, программной, эксплуатационной, эстетической.

Перечисленные виды совместимостей обеспечивались в 70-х –80-х годах комплектованием ИВК техническими средствами, входящими в агрегатные комплексы:

-агрегатный комплекс средств электроизмерительной техники (АСЭТ);

-агрегатный комплекс средств вычислительной техники (АСВТ).

1.5. НОРМИРОВАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

НОРМИРОВАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Нормирование метрологических характеристик. Качество измерений зависит от влияющих факторов и от свойств, применяемых средств измерений (СИ). Свойства СИ определяются их метрологическими характеристиками

(МХ).

Метрологическими характеристиками называются свойства СИ,

оказывающие влияние на результаты измерений и их точность.

Все МХ СИ обязательно нормируются. Под нормированием понимается законодательный акт по установлению норм. Установление норм основано на научных и технических достижениях метрологии и измерительной техники, а

30