Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Метрология, стандартизация и сертификация в инфокоммуникациях. Учебное пособие. Курс лекций
.pdf
11
логического контроля и надзора, осуществляемого Государственной метрологической службой Госстандарта России. В областях, где надзор и
контроль не применяются, используются правила и положения, введенные положением Российской системы калибровки.
Закон "Об обеспечении единства измерений" укрепляет правовую
основу для международного сотрудничества в области метрологии. Положения настоящего Закона были расширены Государственной системой
обеспечения единства измерений (ГСИ), представляющей собой комплекс
нормативных документов межрегионального и межотраслевого уровней,
устанавливающих правила, нормы, требования, направленные на достижение и поддержание единства измерений в стране (при требуемой точности), утверждаемых Госстандартом страны. Основными объектами
ГСИ являются:
− единицы ФВ;
− государственные эталоны и общесоюзные поверочные схемы;
− методы и средства поверки средств измерений СИ;
− номенклатура и способы нормирования метрологических характе-
ристик (MX) СИ;
− нормы точности измерений;
− способы выражения и формы представления результатов и показа-
телей точности измерений;
− методики выполнения измерений;
− методики оценки достоверности и формы представления данных о
свойствах веществ и материалов;
− требования к стандартным образцам свойств веществ и материа-
лов;
− термины и определения в области метрологии;
− организация и порядок проведения государственных испытаний
СИ, поверки и метрологической аттестации СИ и испытательного оборудования; калибровки СИ, метрологической экспертизы нормативнотехнической, проектной, конструкторской и технологической документации, а также экспертизы и данных о свойствах материалов и веществ.
12
ВОПРОС 3. Цели и виды измерений
Все измерения классифицируются по следующим признакам
[2,3,4,5]:
1. По способу получения результата:
- прямые;
- косвенные;
- совокупные;
- динамические.
2. По числу наблюдений (измерений):
- однократные;
- многократные.
3. По точности оценки погрешности:
- технические;
- лабораторные:
а) с точным оцениванием погрешности;
б) с приближенным оцениванием погрешности.
4. По условиям измерений:
- равноточные;
- неравноточные.
5. По характеру результата измерений:
- абсолютные;
- допусковые (пороговые);
- относительные.
6. По степени достаточности измерений:
- необходимые;
- избыточные.
7. По связи с объектом:
- бесконтактные;
- контактные.
8. По методу:
- непосредственной оценки;
- сравнения с мерой;
- противопоставления;
- дифференциальный;
- нулевой;
- замещения (совпадений).
Прямым называется измерение, когда искомое значение физической
величины находят непосредственно из опытных данных [1].
Косвенные - измерения, при которых искомое значение величины
находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям [1].
Пример 2 Определение значения сопротивления резистора R= U/I - по
измеренным значениям напряжения U и тока I.
13
1
R1
R2
R3
2
3
Совокупные - производимые одновременно измерения
ких одноименных величин, при которых искомые значения величин
находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин [1].
Пример 3 Найти сопротивления резисторов R1, R2, R3, соединенных
"звездой", если доступны для измерений лишь выводы звезды, а точка соединения "0" недоступна (рисунок 1.3). Измеряя сопротивления между выводами "звезды", получим систему уравнений:
Рисунок 1.3 -Иллюстрация совокупных измерений
R12 = R1 + R2;
R13 = R1 + R3; (1.1)
R23 = R2 + R3.
Решив систему (1.1) из 3-х уравнений с 3 неизвестными, найдем R1,
R2, R3.
Совместные измерения - производимые одновременно измерения
двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними [1].
Пример 4 В зависимости сопротивления резистора от температуры
R = R0 (l+αt + βt2) неизвестны величины R0 , α, β . Их значения требуется
определить.
Для нахождения трех неизвестных выполняют измерения сопротив-
ления при трех различных температурах –t1 , t2, t3 записывают систему
уравнений:
Rt1 = R0(l+αt1 + βt1 2)
Rt2 = R0(l+αt2 + βt2 2) (1.2)
Rt3 = R0(l+αt3 + βt3 2)
Решая (1.2) относительно неизвестных R0 , α, β , находим искомые величины.
14
ВОПРОС 4 Принципы и методы измерений
Принцип измерений - совокупность физических явлений, на которых
основаны измерения [l].
Существует множество принципов измерений, что отражает многообразие уже познанных законов природы, которые положены в основу работы средств измерений. Примерами принципов измерений являются: измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта; измерение тока с использованием явления взаимодействия рамки из проводящего материала, по которой протекает измеряемый ток, с полем постоянного магнита; измерение давления с использованием пьезоэффекта.
Метод измерений есть "совокупность приемов использования прин-
ципов и средств измерений" [1].
Основным признаком, по которому классифицируют методы измере-
ний, является характер применения меры в процессе измерений. По этому
признаку различают два метода измерений:
-метод непосредственной оценки;
-метод сравнения с мерой.
Примерами метода непосредственной оценки могут быть измерение
напряжения электромеханическим стрелочным вольтметром, измерение
тока амперметром и т.п. Из приведенного определения следует, что в методе непосредственной оценки используются приборы, заранее проградуированные по мере.
В методе сравнения с мерой могут применяться однозначная или многозначная (регулируемая) меры, воспроизводящие физическую величину
того же рода, что и измеряемая. Примеры метода сравнения с мерой: измерение массы на весах с использованием гирь, измерение частоты методом
фигур Лиссажу с использованием образцового измерительного генератора,
измерение сопротивления резистора при помощи четырехплечего моста, в
одном из плеч которого включен исследуемый резистор, а в других плечах
- образцовые резисторы.
15
Вопрос 5. Понятие о единстве измерений и единообразии средств
измерений
К числу фундаментальных понятий, относящихся к метрологической
службе, относятся понятия о единстве измерений и единообразии средств
измерений.
Единство измерений есть "состояние измерений, при котором их ре-
зультаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений
известны с заданной вероятностью".
Единообразие средств измерений есть "состояние средств измерений,
характеризующееся тем, что они проградуированы в узаконенных едини-
цах и их метрологические свойства соответствуют нормам".
Средство измерений – техническое средство, используемое при изме-
рениях и имеющее нормированные метрологические характеристики [1].
Как следует из этих двух определений, понятие о единстве измерений
является более общим, поскольку касается в полной мере всего процесса
измерений. Более того, это понятие касается как каждого отдельного из-
мерения данной физической величины, так и всех измерений этой физиче-
ской величины в масштабах учреждения, предприятия, отрасли промыш-
ленности, всего народного хозяйства и обороны страны.
Понятие с единообразии средств изменений касается только матери-
альной базы измерений - средств измерений. Оно распространяется как на
каждое отдельное средство измерений, так и на все средства измерений,
находящиеся в эксплуатации. Из этого следует, что обеспечение единооб-
разия средств измерений является необходимым условием для достиже-
ния единства измерений.
Вопрос 6. Поверка средств измерений
Задача обеспечения единства измерений и единообразия средств измерений решается Государственной метрологической службой, представляющей собой сеть государственных и ведомственных метрологических
органов. Органами Государственной метрологической службы осуществляется надзор за средствами измерений. Одной из задач надзора является периодическая поверка средств измерений.
16
Поверка – операция заключающаяся в установлении пригодности
средства измерения к применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и контроля их соответствия
предъявляемым требованиям [1].
Для осуществления поверки конкретного средства измерений необхо-
димо иметь другое средство измерений, имеющее заведомо меньшую погрешность, чем поверяемое.
Руководящим документом для выбора средств измерений при повер-
ках являются поверочные схемы.
Поверочная схема - утвержденный в установленном порядке доку-
мент, устанавливающий средства, методы и точность передачи размеров
единицы от эталона или исходного образцового средства измерений рабочим средствам измерений [I].
Поверочная схема имеет иерархическую структуру, на вершине кото-
рой находится эталон единицы физической величины. По своему положению в поверочной схеме вcе средства измерения каждой физической величины подразделяют на следующие виды:
- эталоны;
- образцовые средства измерений;
- рабочие средства измерений.
Для каждой физической величины существует своя поверочная схема.
На рисунке 1.4 приведена обобщенная поверочная схема, из которой видна
соподчиненность указанных средств измерений.
Первичный эталон – эталон, обеспечивающий воспроизведение еди-
ницы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же
единицы) точностью" [l].
Рабочий эталон – эталон, применяемый для передачи размера едини-
цы образцовым средствам измерения высшей точности, и в отдельных
случаях - наиболее точным рабочим средствам измерений" [1].
Образцовое средство измерений - мера, измерительный прибор или
измерительный преобразователь, служащие для поверки по ним других
средств измерений и утвержденные в качестве образцовых [1].
Образцовые средства подразделяются на разряды (1-й, 2-й и т.д.)
в зависимости от ступени, которую они занимают в поверочной схеме. По
образцовым средствам поверяются рабочие средства.
17
Образцовые
средства измерений
Первичный
Рабочие
1-го разряда
2-го разряда
3-го разряда
4-го разряда
Наивысшей
точности
Высшей
точности
Высокой
точности
Средней
точности
Низшей
точности
Эталоны
Рабочие
средства измерений
Рисунок 1.4 -Обобщенная поверочная схема средств измерений
Рабочее средство измерений - средство измерений, применяемое для
измерений, не связанных с передачей размера единиц [1]. Именно к рабочим средствам измерений относятся все измерительные приборы широкого применения. Образцовые же средства сосредоточены в поверочных органах.
Итак, при реализации поверочной схемы размер единицы физической
величины передается от первичного эталона через рабочие эталоны и образцовые средства измерений к рабочим средствам измерений.
Более полное изложение вопросов лекции представлено на указанных страницах перечисленных ниже литературных источников:
Вопрос 1. [2] с. 6-10; [3] c. 7 – 19; [4] c. 3 – 7; [5] c. 10 – 18.
Вопрос 2. [2] с. 73-76;
Вопрос 3. [2] c. 14-18; [3] c. 30 – 38; [4] c. 31 – 36.
Вопрос 4. [3] c. 26 – 28; [5] c. 43 – 46.
Вопрос 5. [3] с. 57-58, [4] c. 19 – 22.
Вопрос 6. [2] с. 84-88; [3] с. 58-63; [5] c. 118 – 122.
18
ЛЕКЦИЯ № 2
Тема лекции: Алгоритм решения измерительных задач
Вопросы лекции:
1. Погрешности измерений и их классификация
2. Предел допускаемой погрешности.
3. Класс точности средств измерений.
4. Форма записи результата измерений.
5. Оценка погрешности однократных прямых и косвенных измерений.
6. Алгоритм решения измерительной задачи.
ВОПРОС 1. Погрешности измерений и их классификация
Процедура измерения состоит из следующих основных этапов: при-
нятие модели объекта измерения, выбор метода измерений, выбор средств
измерений, проведение эксперимента для получения численного значения
результата измерений. Вне зависимости от точности и совершенства
средств и методов и тщательности выполнения самих измерений, результат всегда отличается от истинного значения измеряемой величины. Разного рода недостатки, присущие этим этапам, приводят к отличию измеренного значения физической величины (А) от ее истинного значения (X), т.е.
имеет место погрешность измерения. Определение понятия “Погрешность
измерения” приведено в соответствии с [1] в п. 1.1.
Для удобства изучения принято классифицировать погрешности по
ряду классификационных признаков [2,3,4,5].
По способу математического выражения различают:
- абсолютную погрешность;
- относительную погрешность;
- приведенную погрешность.
Абсолютная погрешность есть погрешность измерения, выраженная
в единицах измеряемой величины [l]. Ее значение определяется формулой:
Δ = А - X, (2.1)
19
,%.100
L
γ ⋅=
Δ
где А - значение, полученное при измерении;
X - истинное значение измеряемой величины. На практике истинное значение измеряемой величины не известно. Поэтому формула (2.1)
используется только при поверках средств измерений. В этом случае за X
берется показание образцового средства измерения.
Относительная погрешность - отношение абсолютной погрешности
измерения к истинному значению измеряемой величины [l]:
δ = Δ / x.
Так как А и X различаются незначительно, то в эту формулу обычно
подставляют А.
δ = Δ / A. (2.2)
Относительную погрешность часто выражают в процентах. Термины
"абсолютная погрешность" и "относительная погрешность" могут применяться как для характеристики измерений, так и для характеристики
средств измерений. Термин "приведенная погрешность" применяют только
для характеристики средств измерений.
Приведенная погрешность измерительного прибора - отношение погрешности измерительного прибора к нормирующему значению [l]:
γ = Δ / L.
Приведенную погрешность почти всегда выражают в процентах:
(2.3)
В формуле (2.3) нормирующее значение L есть "условно принятое
значение, могущее быть равным верхнему пределу измерений, диапазону
измерений, длине шкалы и др." [1]. Выбор L определяется только видом
шкалы измерительного прибора и жестко регламентирован. Нормирующее
значение чаще всего принимается равным диапазону измерений, под которым понимается область значений измеряемой величины, для которой
нормированы допускаемые погрешности средства измерений. Для примера на рисунке 2.1 приведено несколько типичных шкал измерительных
приборов. Для равномерной шкалы с нулевой отметкой в начале шкалы
(рисунок 2.1,а) L = I00 единиц; для безнулевой шкалы (рисунок 2.1,б) L =
10 единиц; для шкалы с нулевой отметкой в середине (рисунок 2.1,в) L
=10 единиц; для шкалы с нормированной погрешностью в части шкалы
(рисунок 2.1, г) L = 40 единиц.
20
,
l
АА
К
12
Δ
−
=
,
мм
.вел.изм
.ед
Рисунок 2.1-Типичные шкалы измерительных приборов:
с нулем
шкалы (10…50 единиц); д – с резко неравномерной шкалой.
50
0
10
20
30
40
60
70
80
90
100
50
49
48
47
46
45
51
52
53
54
55
0
-1
-2
-3
-4
-5
+1
+2
+3
+4
+5
0
10
20
30
40
50
а)
б)
в)
г)
0 1 10
500
1000
100
50
L (мм)
Δ (мм)
А1
А 2
д)
Нормирующее значение устанавливается равным длине шкалы (в
единицах длины) при резко неравномерной шкале. В таких случаях под L
понимается геометрическая длина шкалы (например, в миллиметрах), как
показано на рисунке 2.1,д. Значит, в формуле (2.3) числитель тоже выражен в единицах длины.
Формулы (2.2), (2.3) позволяют при необходимости выполнять взаим-
ный пересчет величин Δ, δ, γ. Имеется особенность определения Δ по заданному значению γ, состоящая в том, что из формулы (2.3) значение Δ
получается в миллиметрах:
Δ (мм) = (L (мм) ∙ γ (%)) /100%.
а – с нулем в начале шкалы; б – с нулем вне шкалы; в -
в середине шкалы; г - с нормированной погрешностью в части
Но, по определению, абсолютная погрешностъ обязательно выражает-
ся в единицах измеряемой величины, что обеспечивается применением
формулы
Δ (ед.измеряемой величины) = К ∙ Δ (мм;),
где коэффициент пропорциональности К имеет размерность (ед. изм.
вел./мм). На рисунке 2.1,д поясняется его определение
где А1, А2 - значения физической величины, соответствующие делениям
шкалы, ближайшим к указателю;
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]