Технология измерительного эксперимента. Учебное пособие для студентов направления 12.04.01

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

В. Н. Шивринский

ТЕХНОЛОГИЯ

ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО

ЭКСПЕРИМЕНТА

Учебное пособие

для студентов направления 12.04.01

2-е издание, дополненное

Ульяновск

УлГТУ

2021

ВВЕДЕНИЕ

Измерения физических величин являются основой научных экспериментов и технологических процессов. Объекты и средства измерений весьма разнообразны, их взаимодействия очень сложные. Измерения включают в себя следующие стадии:

–формулировку цели;

–выбор моделей объектов или класса моделей;

–составление программы эксперимента, методическую и материальную подготовку;

–проведение эксперимента и обработку первичных данных в реальном масштабе времени;

–обработку данных и оценку погрешности измерения;

–анализ полученных данных, формулировку результата исследования и оценку исследования.

Основной задачей измерения является получение информации о значении физической величины в виде некоторого числа принятых для неё единиц. Типовыми задачами измерений являются:

–оценка значений скалярных величин;

–оценка значений векторных величин;

–воспроизведение реализации процесса в координатах «физическая величина – время»;

–воспроизведение характеристик процессов или объектов в соответствующих координатах (например, вольт-амперные характеристики).

Процесс измерения можно разделить на три этапа:

–подготовка и планирование измерения;

–выполнение измерительного эксперимента;

–обработка и анализ полученных данных.

Выделение этапов измерений способствует своевременному осознанному выполнению всех действий, что позволяет избежать серьёзных ошибок, связанных с переносом проблем одного этапа на другой. Самой распространённой ошибкой такого рода является уточнение измерительной задачи, в частности, понятия измеряемой величины и

4

4

результата измерения, после получения экспериментальных данных. До начала измерительного эксперимента, на первом этапе, необходимо решить ряд вопросов, касающихся подготовки, планирования и организации измерений. Основными из них являются:

–цель и задача измерений;

–наличие априорной информации об объекте исследования и измеряемых величинах (функциональные связи, результаты предварительных измерений, диапазоны и др.);

–модели объектов и измеряемые физические величины;

–измеряемые параметры модели, которые должны быть адекватны определяемым физическим величинам;

–зависимости между определяемой величиной и непосредственно измеряемыми величинами;

–условия измерений и влияющие величины;

–допустимые погрешности измерений (при косвенных измерениях необходимо определить допустимую погрешность каждой из непосредственно измеряемых величин);

–необходимые методы измерений отдельных величин;

–средства измерений, их метрологические характеристики и способы автоматизации измерений;

–планирование измерений;

–методы коррекции погрешностей;

–форма представления результатов;

–алгоритмы и средства обработки экспериментальных данных, оценки погрешностей и их достоверности;

–требуемые и имеющиеся ресурсы;

–экономическая эффективность измерений.

Исследуемый объект и цель измерения обычно задаются. Но даже в этом случае необходимо проверить корректность постановки задачи и заранее проанализировать, как будут использованы результаты измерений для оценки исследуемого объекта. На основании такого анализа уточняются цель и задача измерительного эксперимента.

Важным моментом этапа подготовки является определение подлежащих измерениям физических величин и характера их изменения.

5

5

С учётом свойств объекта исследования и поставленной цели конкретизируются физические величины применительно к данному объекту. Определяются пределы их изменений, частотный спектр, взаимные связи и др. Всё это устанавливается на основе априорных данных и предварительных измерений.

При установлении требований к допускаемым погрешностям необходимо исходить из цели измерения. При массовых измерениях требования к точности устанавливаются из экономических соображений. Требования к точности измерения должны быть обоснованы и их нельзя завышать, так как чем выше задаваемая точность, тем больше ресурсов и времени требуется для выполнения эксперимента. Чем выше точность и чувствительность прибора, тем он сложнее, менее надёжен и требует более квалифицированного обслуживания.

При измерениях используют различные виды математических и физических моделей. В качестве таких моделей применяются:

–приближенные и точные математические модели в виде дифференциального уравнения или передаточной функции (динамическая модель объекта);

–скалярная величина;

–векторная величина (двумерный и многомерный вектор);

–тензор (модель поля механических напряжений);

–периодический сигнал, совокупность сигналов (спектр, взаимный спектр);

–геометрическое тело;

–двумерное поле;

–звено с сосредоточенными параметрами;

–цепь с распределёнными параметрами;

–четырёхполюсник и др.

В ходе выполнения измерительного эксперимента может возникнуть необходимость в переопределении или уточнении модели.

6

6

1. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕТРОЛОГИИ

Определения, структурные схемы

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Измерение – нахождение значения физической величины опытным путём с помощью специальных технических средств.

Технология измерительного эксперимента – дисциплина знако-

мит студентов с основными принципами подготовки, проведения измерительного эксперимента, обработки результатов измерений.

Измерение – это процесс сравнения двух величин и выражение результата измерения числом, имеющем размерность.

Структурная схема элементарной базовой системы измерения

представлена на рис.1.1. Здесь Ч – чувствительный элемент, который воспринимает воздействие объекта; М – мерный элемент, хранитель эталона; СР1 – сравнивающий элемент {сравнивает две величины X'(t) и Xэт(t)}; И – исполнительный элемент – конечный элемент, несущий сигнал в необходимой форме.

Рис.1.1. Структурная схема элементарной базовой системы измерения

В результате измерения получим именованное число.

Например, размер детали Хиз = 20 мм, а задано Хз = 18 мм. Раз-

ность = Хиз – Хз = 20 – 18 = 2 мм, где – отклонение от нормы. Одного процесса измерения мало, необходимо вести контроль.

Определяя отклонение , мы определяем, например, необходимую подачу для снятия излишнего металла (2 мм). Эти операции выполняет человек. При автоматизации производственных процессов операция контроля поручается самому измерительному прибору.

7

7

времени; 3) f (t) = ? – неизвестная функция. В первом случае речь идёт об автомате стабилизации, 2) – о программном регулировании, 3) – о синхронно-следящем регулировании.

Структурная схема элементарной базовой системы управления

представлена на рис.1.4.

Рис.1.4. Структурная схема элементарной базовой системы управления

Здесь ωупр – сигнал управления (с какого-то носителя информации, например, магнитной ленты). Управление рассматривается как воздействие на управляемый процесс по определённой программе.

При управлении современными технологическими процессами, объектами возникает задача измерения нескольких параметров (может быть нескольких сотен) и принятия на их основе решения о воздействии на объект. Чем выше уровень автоматизации, тем больше вычислительных операций выполняют сами приборы. В этом случае необходимым звеном в системе измерения является вычислительное устройство. Подобные системы рассматривались в дисциплине «Проектирование измерительно-вычислительных комплексов».

Виды измерений

Измерения могут быть прямыми, косвенными, совокупными, совместными. При прямых измерениях процесс производится над самой измеряемой величиной, имея в виду то или иное её проявление.

При косвенных измерениях значение искомой величины Х определяется расчётным путём на основании прямых измерений других величин, связанных с измеряемой известной зависимостью.

При совокупных измерениях значения нескольких искомых величин определяются на основе прямых или косвенных измерений

9

9

других величин путём решения системы соответствующих уравнений. При совместных измерениях производят одновременно измерения двух или нескольких не одноимённых величин для нахождения зависимости между ними.

Физическая величина

Физическая величина – свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношении – индивидуальное для каждого объекта. Например, электрическое напряжение – это свойство, в качественном отношении общее для всех источников электрической энергии, в количественном отношении напряжения источников различны.

Значение физической величины – оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для неё единиц. Например, значение напряжения (не «величина напряжения»!) 220 В. Число 220 называется числовым значением, В – вольт – единица напряжения.

Истинное значение физической величины – значение физической величины, которое идеальным образом отражает в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство данного объекта. Истинное значение практически недостижимо.

Действительное значение физической величины – значение, полу-

ченное экспериментальным путём и настолько приближенное к истинному, что для данной цели может быть использовано вместо него.

Единица физической величины – физическая величина, которой по определению присвоено значение 1. Единицы физических величин делятся на основные, выбираемые произвольно при построении системы единиц, и производные, образуемые в соответствии с уравнениями связи с другими единицами данной системы единиц.

Система единиц физических величин – совокупность основных и производных единиц, относящаяся к некоторой системе величин. В нашей стране действует ГОСТ 8.417-2002 ГСИ Единицы величин,

10

10