Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы и средства измерений. Учебное пособие для поверителей средств теплотехнических и физико-химических измерений
.pdf
p
FQ 2
СУо
,
СУ
F
где
— площадь отверстия сужающего устройства,
α — коэффициент расхода.
Пример 2 косвенного измерения. В современных средствах
измерений результат косвенного измерения может быть получен
с применением микропроцессорного вычислителя.
При этом результаты прямых измерений представляются
в виде аналоговых или цифровых выходных электрических сигналов преобразователей. На рис. 2.2 приведена схема осуществления автоматического измерения расхода газа косвенным методом с применением микропроцессорного вычислителя. Давление
p измеряют с помощью преобразователя давления 2, а перепад
давления Δp — с помощью преобразователя давления 3. Температуру газа определяют с помощью термопреобразователя сопротивления 5. Выходные сигналы преобразователей подают на вход
микропроцессорного вычислителя 4, в котором осуществляются
расчетные операции по определению расхода газа.
Рис. 2.2. Схема измерения расхода
с применением микропроцессорного вычислителя
(косвенное измерение)
1 — сужающее устройство;
2 — измерительный преобразователь давления;
3 — измерительный преобразователь разности давлений;
4 — микропроцессорный вычислитель; 5 — термопреобразователь
Совместные измерения
Совместными называют измерения, при которых определяют
значения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними.
На рис. 2.3 представлена схема осуществления совместного
метода измерений.
Рис. 2.3. Градуирование термоэлектрического преобразователя
(совместное измерение)
1 — трубчатая печь;
2 — эталонный термоэлектрический преобразователь;
3 — градуируемый термоэлектрический преобразователь;
4 — переключатель; 5 — измерительный прибор;
6 — ртутный жидкостный термометр;
7 —термостат для термостатирования свободных концов
термоэлектрических преобразователей
При градуировании хромель-копелевого термоэлектрического преобразователя 3 последовательно воспроизводят заданные
значения температуры в печи 1. Температуру t в печи измеряют
с помощью эталонного термоэлектрического преобразователя 2.
Одновременно измеряют температуру t0 в термостате 7 ртутным
термометром 6.
Измерительным прибором 5 измеряют термоэлектродвижущую силу (ТЭДС) E(t, t0) градуируемого термопреобразователя
при каждом значении температур t и t0.
Результатом данных совместных измерений является градуировочная характеристика термоэлектрического преобразователя
3, представляющая собой зависимость между температурой рабо-
чего конца t, температурой свободных концов t0 и развиваемой
при этом ТЭДС E(t, t0):
E(t, t0) = f(t, t0).
Совокупные измерения
При проведении совокупных измерений одновременно проводят прямые измерения нескольких одноименных величин. По
результатам измерений составляют систему уравнений. Искомое
значение находят решением составленной системы уравнений.
2.3. Методы измерений
Методом измерений называют совокупность использования
принципов и средств измерений.
Метод непосредственной оценки
Метод непосредственной оценки — это такой метод, при котором значение величины определяют непосредственно по показаниям или записи прибора.
Применение этого метода позволяет избежать дополнительных расчетов или иных действий оператора, выполняющего измерение. Например, измерение температуры ртутным термометром, измерение давления деформационным манометром и т.д.
На рис. 2.4 в качестве примера приведена схема установки
для поверки рН-метра. Температуру эталонного буферного раствора 5 измеряют методом непосредственной оценки по показаниям стеклянного ртутного термометра 6. Значение рН раствора
измеряют методом непосредственной оценки с помощью комплекта, включающего стеклянный измерительный электрод 2,
вспомогательный электрод 3 и измерительный преобразователь 1.
Рис. 2.4. Схема установки для поверки рН-метра
(метод непосредственной оценки)
1 — измерительный преобразователь из состава поверяемого рН-метра;
2 — измерительный стеклянный электрод из состава поверяемого
прибора;
3 — электрод сравнения из состава поверяемого прибора;
4 — термокомпенсатор; 5 — буферный раствор — рабочий эталон;
6 — эталонный стеклянный жидкостный термометр
Метод непосредственной оценки обеспечивает оператив-
21
hhH
д2
h
)1(
2
222д
h
hhh
)1)((
21
2121
hh
hhhhH
21
hh
121
hhh
1
h
ность получения измерительной информации, дает возможность
непосредственно наблюдать за измеряемой величиной, хотя в ряде случаев имеет ограниченную точность измерения, которая зависит от погрешности применяемых измерительных средств.
Дифференциальный метод
Дифференциальный (разностный) метод — метод, при кото-
ром измеряемая величина сравнивается с однородной величиной,
имеющей известное значение, отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между
этими двумя величинами.
При дифференциальном методе большую часть искомой ве-
личины компенсирует мерой. Оставшуюся меньшую часть можно
измерить с помощью менее точного средства измерений.
В качестве примеры приведем случай измерения высоты H
столба жидкости в микроманометре МКМ-4.
Основная часть высоты h1 компенсируется концевыми мера-
ми длины. Остаточная часть высоты h2 измеряется с помощью
индикатора часового типа.
.
Действительное значение
отличается от измеренного h2
на величину погрешности Δ:
.
Следовательно, высота H равна
.
Поскольку
, то
.
То есть при измерении только малой части h2 с относитель-
ной погрешностью измерения
погрешность определения
высоты H значительно меньше погрешности определения h2.
Следовательно, для измерения h2 можно применить средство из-
мерений с меньшей точностью измерения, чем потребовалось бы
в случае измерения всей высоты H.
Нулевой метод
Нулевой метод — метод сравнения с мерой, при котором из-
меряемую физическую величину компенсируют одноименной величиной, воспроизводимой мерой. Нулевой метод сродни дифференциальному, просто в нулевом методе разность между двумя
величинами практически сводится к нулю.
Необходимым условием применения нулевого метода явля-
ется правильный выбор меры. Воспроизводимая мерой величина
должна быть равна измеряемой величине при применении однозначной меры либо обеспечивать диапазон значений измеряемой
величины при применении многозначной меры.
При осуществлении нулевого метода применяют нулевое
средство сравнения.
Средство сравнения — техническое средство, посредством
которого возможно выполнять сравнения друг с другом мер однородных величин или показания измерительных приборов.
В качестве средства сравнения электрических параметров
может, например, применяться нуль-прибор. В частности, при
измерении электрического сопротивления термопреобразователя
уравновешенным мостом.
На рис. 2.5 представлена схема измерения сопротивления
термопреобразователя нулевым методом.
Рис. 2.5. Схема измерения сопротивления уравновешенным постом
( нулевой метод)
Измеряемое сопротивление Rx включено в одно из плеч
уравновешенного моста. Резисторы R1 и R2 представляют собой
однозначные меры сопротивления, а резистор R3 — многознач-
ную меру сопротивления — магазин сопротивления. Изменяя со-
312
RRRR
x
Vm
U
противление R3, доводят показания режим работы моста до состояния, при котором произведения сопротивлений противоположных плеч моста равны друг другу.
.
При этом электрические потенциалы вершин моста α и c ста-
новятся одинаковыми и показания нуль-прибора НП равны нулю.
После этого отсчитывают значение измеряемого сопротивления
Rx по шкале магазина сопротивления.
Метод замещения
Метод замещения — это такой метод сравнения с мерой, при
котором измеряемая величина замещается известной величиной,
воспроизводимой мерой.
На рис. 2.6 приведена схема измерения внутреннего сопротив-
ления пирометрического милливольтметра методом замещения.
Измерение внутреннего сопротивления милливольтметра
проводят в два этапа. Вначале переводят контакты переключателя П в положение 1 и, перемещая движок резистора Rp, устанав-
ливают указатель поверяемого милливольтметра на любое деление в пределах шкалы.
Рис. 2.6. Схема измерения внутреннего сопротивления милливольтметра
(метод замещения)
Измеряют напряжение
, поданное на вход милливольт-
метра, потенциометром постоянного тока ППТ.
Затем переводят контакты переключателя П в положение 2
и, изменяя сопротивление эталонного измерительного магазина
сопротивления Rэ, устанавливают на ППТ показания Uэ, равные
показаниям первого этапа, т.е.:
Vm
U
= Uэ.
эmV
IRIR
Vm
R
эmV
RR
Заменив в приведенной формуле значение каждого напряже-
ния на произведение тока на сопротивление, получим:
.
Значение внутреннего сопротивления милливольтметра
отсчитывают по показаниям магазина сопротивления Rэ:
.
Метод совпадений
В методе совпадений применяется совпадение отметок шкал
или периодических сигналов.
Применяется метод совпадений, например в штангенциркуле
(совпадение отметок шкал штангенциркуля и нониуса), в стробоскопическом методе измерения частоты вращения, интерферометрическом методе анализа состава газовых смесей и т.д.
Глава 3. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ
Задачей любого измерения является нахождение значения
физической величины. Осуществив измерение всегда полезно установить, насколько достоверны результаты измерений. Существуют два вида оценки результатов измерений: качественная
оценка и количественная оценка.
Качественной оценкой результата измерений является точ-
ность. Под точностью измерения понимают степень приближения
измеренного значения величины к истинному значению.
Количественной оценкой результата измерений является по-
грешность.
Как было сказано выше (см. п. 1.1), истинное значение физи-
ческой величины определить невозможно, поскольку невозможно
создать идеальное техническое средство, способное определить
значение величины без ошибок или погрешностей. Поэтому, взамен понятия «истинное значение» оперируют понятием «действительное значение».
Погрешностью измерения называют разность между из-
меренным значением величины X
и ее действительным значе-
изм
нием Xд.
Абсолютная погрешность измерения Δ может быть записана
дизм
ХX
д
X
%,100
д
X
с
с
в виде:
.
Погрешность измерения может быть выражена в относитель-
ной форме в долях или процентах
или
.
Все погрешности измерений можно разделить на две боль-
шие группы: систематические и случайные. В каждом результате
измерений могут присутствовать оба вида погрешностей.
Погрешность отдельного результата измерения Δ, таким об-
разом, как правило, состоит из двух составляющих: систематиче-
ской
и случайной
:
.
3.1. Классификация погрешностей измерений
Погрешности измерений можно классифицировать по не-
скольким независимым признакам, основные из которых рассмотрены ниже.
3.1. 1. Погрешность метода
Погрешность метода или теоретическая погрешность прояв-
ляется при несовершенстве метода измерений, при недостаточной проработке теории метода, а также при применении допущений или упрощений, эмпирических формул и зависимостей и т.д.
3.1.2. Классификация погрешностей по характеру прояв-
ления
На рис. 3.1. представлена структурная схема видов погреш-
ностей по характеру проявления. По указанному признаку погрешности делятся на систематические, случайные и промахи.
Случайной погрешностью называют составляющую погреш-
ности измерения, которая изменяется случайным образом при
повторных измерениях физической величины одного размера
и при одинаковых условиях измерений.
Рис. 3.1. Классификация погрешностей измерений
прогрессивная периодическая
изменяющаяся
по сложному закону
Виды погрешностей
по характеру проявления
случайная систематическая грубая (промах)
постоянная
по характеру проявления
Систематической называют составляющую погрешности из-
мерения, которая при повторных измерениях одной и той же физической величины остается постоянной или изменяется по определенному закону. Систематические погрешности делятся на постоянные, прогрессивные, периодические и изменяющиеся по
сложному закону.
Подробнее основные свойства случайных и систематических
погрешностей описаны в п.п.3.2 и 3.3.
В ряде случаев погрешности значительно превышают ожи-
даемые результаты и не вписываются в ожидаемые границы погрешностей. Такие погрешности носят наименование грубых погрешностей, или промахов. Причиной грубых погрешностей
обычно является неисправность аппаратуры либо невнимательность оператора. Иногда грубая погрешность возникает при резком изменении условий измерений.
3.1.3. Классификация погрешностей по месту возникно-
вения
На рис. 3.2 показана классификация погрешностей в зависи-
мости от места возникновения. Рассматривая погрешности измерений в соответствии с данным признаком, можно поделить их на
следующие: методические, инструментальные и отсчета.
Методическая погрешность обусловлена условиями и мето-
дикой измерения и не зависит от точности применяемого средства измерений. Например, если в грузопоршневом манометре
нижний торец поршня и плоскость входного отверстия поверяе-
мого средства измерений расположены на разной высоте, появ-
Виды погрешностей по месту
возникновения
методическая инструментальная отсчѐта
основная
дополнительная
динамическая
от взаимодействия
с объектом измерения
установки
квантования
в зависимости
от внешних условий
ляется погрешность, вызванная гидростатическим давлением дополнительного столба рабочей жидкости.
Рис. 3.2. Классификация погрешностей по месту возникновения
Инструментальная погрешность обусловлена свойствами
и особенностями применяемых средств измерений. К инструментальным погрешностям можно отнести следующие: основную,
дополнительную, динамическую и погрешность, обусловленную
влиянием объекта измерений. К инструментальным погрешностям можно отнести погрешность установки — для аналоговых
измерительных приборов и погрешность квантования — для
цифровых измерительных приборов.
Погрешность установки обусловлена неправильным положе-
нием прибора в пространстве.
Причиной появления погрешности квантования является тот
факт, что сам метод квантования предусматривает преобразование бесконечного множества значений непрерывной аналоговой
величины в конечное множество значений. При этом неизбежно
теряется часть информации.
Основная и дополнительные погрешности проявляются зави-
симости от внешних условий.
Основной погрешностью называют погрешность при приме-
нении средства измерений в нормальных условиях.
Дополнительной погрешностью средства измерений называ-
ют составляющую погрешности средства измерений, которая
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]