Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технические измерения. Лабораторный практикум. Часть 1. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки
Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
В. А. НОРИН, В. Е. ГОРДИЕНКО,
Е. Г. ГОРДИЕНКО, А. П. ОРЛОВ
ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Лабораторный практикум. Ч. I
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2013
1
Технические измерения. Лабораторный практикум. Ч. I
УДК 621.753.1/2:389(076)
Рецензенты: д-р техн. наук, проф. С. А. Евтюков (ФГБОУ ВПО СПбГАСУ);
д-р техн. наук, проф. И. А. Иванов (ФГБОУ ВПО ПГУПС)
Норин, В. А.
Технические измерения. Лабораторный практикум: учеб. пособие /
В. А. Норин, В. Е. Гордиенко, Е. Г. Гордиенко, А. П. Орлов; СПбГАСУ.
– СПб., 2013. – Ч. I. – 86 с.
ISBN 978-5-9227-0439-7
Приведены краткие теоретические сведения, где в доступной форме излагаются основные понятия теоретической метрологии, дана классификация
и основные характеристики измерений, методов измерений и измерительных
средств, погрешностей измерений, описаны основные метрологические характеристики средств измерений. Подробно описаны конструкции и принципы действия универсальных измерительных средств для контроля линейных
и угловых размеров.
Приведено подробное описание порядка проведения лабораторных работ по измерению линейных, угловых размеров, которое сопровождается иллюстративным материалом.
Пособие предназначено для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация».
Табл. 2. Ил. 52. Библиогр.: 6 назв.
Рекомендовано Редакционно-издательским советом СПбГАСУ в качестве учебного пособия.
ISBN 978-5-9227-0439-7
© В. А. Норин, В. Е. Гордиенко, Е. Г. Гордиенко,
А. П. Орлов, 2013
© Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет, 2013
23
Введение
Лабораторный практикум призван помочь студентам ознакомиться с приборами и средствами измерения, применяемыми на производстве и в заводских измерительных лабораториях, а также приобрести необходимые навыки работы с ними. В результате выполнения всего комплекса лабораторных работ студент должен знать
принципиальное устройство и назначение приборов и средств измерений, имеющихся в лаборатории, и уметь с их помощью производить технические измерения.
Технические измерения. Лабораторный практикум. Ч. I
Глава 1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Измерения являются одним из важнейших путей познания природы человеком. Они дают количественную характеристику окружающего мира, раскрывая человеку действующие в природе закономерности. Д. И. Менделеев выразил значение измерений для науки
следующим образом: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять».
Общепринятое определение метрологии дано в ГОСТ 16263–70
«ГСИ. Метрология. Термины и определения»: метрология – наука об
измерениях, методах, средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Греческое слово «метрология»
образовано от слов «метрон» – мера и «логос» – учение.
Единство измерений – такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставить результаты измерений, выполненных в разных местах, в разное время,
с использованием разных методов и средств измерений.
Точность измерения – это характеристика измерения, отражающая близость к нулю погрешности его результата.
Метрология делится на три самостоятельных и взаимно дополняющих раздела, основным из которых является «Теоретическая
метрология». В нем излагаются общие вопросы теории измерений.
Раздел «Прикладная метрология» посвящен изучению вопросов практического применения в различных сферах деятельности результатов теоретических исследований. В заключительном разделе «Законодательная метрология» рассматриваются комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, требований и норм,
а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле
со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений (СИ).
45
Глава 1. Краткие теоретические сведения
1.1. Классификация и основные
характеристики измерений
Измерение является важнейшим понятием в метрологии. Это
организованное действие человека, выполняемое для количественного познания свойств физического объекта с помощью определения опытным путем значения какой-либо физической величины.
Существует несколько видов измерений. При классификации
их обычно исходят из характера зависимости измеряемой величины
от времени, вида уравнения измерений, условий, определяющих точность результата измерений, и способов выражения этих результатов.
По характеру зависимости измеряемой величины от времени
измерения разделяются:
а) на статические, при которых измеряемая величина остается
постоянной во времени;
б) динамические, в процессе которых измеряемая величина изменяется и является непостоянной во времени.
По способу получения результатов измерений их разделяют на
прямые, косвенные, совокупные и совместные.
Прямые – это измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных.
Косвенные – это измерения, при которых искомую величину
определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям.
Совокупные – это производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомую величину
определяют решением системы уравнений, получаемых при прямых
измерениях различных сочетаний этих величин.
Совместные – это производимые одновременно измерения двух
или нескольких не одноименных величин для нахождения зависимостей между ними.
По способу выражения результатов измерений различают абсолютные и относительные измерения.
Абсолютными называются измерения, которые основаны на
прямых измерениях одной или нескольких основных величин или
на использовании значений физических констант.
Относительными называются измерения отношения величины
к одноименной величине.
Технические измерения. Лабораторный практикум. Ч. I
По характеристике точности измерения делятся на равноточ-
ные и неравноточные.
Равноточными называются измерения какой-либо физической
величины (ФВ), выполненные одинаковыми по точности СИ и в одних и тех же условиях.
Соответственно неравноточными называются измерения ФВ,
выполненные различными по точности СИ и (или) в разных условиях. Методика обработки результатов равноточных и неравноточных
измерений различна.
В зависимости от числа измерений, проводимых во время эксперимента, различают одно- и многократные измерения.
Однократными называются измерения, выполненные один раз.
К многократным относятся измерения одного и того же размера ФВ, следующие друг за другом. Известно, что при числе отдельных измерений более четырех их результаты могут быть обработаны
в соответствии с требованиями математической статистики. Это означает, что при четырех и более измерениях, входящих в ряд, измерения можно считать многократными. Их проводят для уменьшения
случайной составляющей погрешности.
В зависимости от метрологического назначения измерения делятся на технические и метрологические.
Технические измерения проводятся рабочими СИ.
Метрологические измерения выполняются при помощи эталонов для воспроизведения единиц ФВ для передачи их размера рабочим СИ.
Основными характеристиками измерений являются: принцип
измерений, метод измерений, погрешность, точность, правильность
и достоверность измерений.
Принцип измерений – физическое явление или совокупность
физических явлений, положенных в основу измерений. Например,
измерение массы тела при помощи взвешивания с использованием
силы тяжести, пропорциональной массе, измерение температуры
с использованием термоэлектрического эффекта.
Средствами измерений являются используемые технические
средства, имеющие нормированные метрологические свойства.
Погрешность измерений – разность между полученным при
измерении X и истинным Q значениями измеряемой величины.
Погрешность измерения
определяется формулой = Х – Q.
67
Глава 1. Краткие теоретические сведения
Погрешность измерений вызывается несовершенством методов
и средств измерений, непостоянством условий наблюдения, а также
недостаточным опытом наблюдателя или особенностями его органов чувств.
Как указывалось выше, точность измерений – это характеристика измерений, отражающая близость к нулю погрешности его результата.
Количественно точность можно выразить величиной, обратной
модулю относительной погрешности. Например, если погрешность
измерений равна 10
–4
, то точность равна 104.
Правильность измерения определяется как качество измерения,
отражающее близость к нулю систематических погрешностей результатов (т. е. таких погрешностей, которые остаются постоянными или
закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же
величины).
Важнейшей характеристикой качества измерений является их
достоверность; она характеризует доверие к результатам измерений
и делит их на две категории: достоверные и недостоверные, в зависимости от того, известны или неизвестны вероятностные характеристики их отклонений от истинных значений соответствующих
величин.
1.2. Классификация методов измерений
и измерительных средств
1.2.1. Методы измерений
Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии
с реализованным принципом измерений [1].
Здесь под принципом измерений понимается физическое явление или эффект, положенные в основу измерения тем или иным
типом средств измерений. Например, применение эффекта Доплера
для измерения скорости, силы тяжести при измерении массы взвешиванием.
Метод измерений обычно обусловлен устройством средств измерений.
Технические измерения. Лабораторный практикум. Ч. I
Различают следующие основные методы измерений: непосредственной оценки, сравнения с мерой, дифференциальный, нулевой,
контактный и бесконтактный.
Непосредственный метод – метод измерений, в котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора. Например, измерение размера с помощью штангенциркуля или микрометра, силы электрического тока
амперметром и т. п.
Метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.
Например, измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями (мерами массы с известными значениями).
Нулевой метод измерений – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины
и меры доводят до нуля. Например, измерение сопротивления с помощью моста сопротивлений.
Метод измерения замещением – метод сравнения с мерой,
в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Например, на чашку весов, предназначенную
для взвешивания массы, устанавливают полный комплект гирь и уравновешивают весы произвольным грузом. Затем на чашку с гирями
помещают взвешиваемую массу и снимают часть гирь для восстановления равновесия. Суммарное значение массы снятых гирь соответствует значению взвешиваемой массы (способ Д. И. Менделеева).
Метод измерений дополнением – метод сравнения с мерой,
в котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой
же величины с таким расчетом, чтобы на прибор воздействовала сумма, равная заранее заданному значению.
Дифференциальный метод измерений – метод измерений, при
котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от
измеряемой величины, при котором измеряется разность между этими двумя значениями. Этот метод нашел широкое распространение
в поверке.
Контактный метод измерений – метод, основанный на том, что
чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом
измерения. Например, контроль температуры термометром.
89
Глава 1. Краткие теоретические сведения
Бесконтактный метод измерения – метод, основанный на том,
что чувствительный элемент прибора не приводится в контакт с объектом измерения. Например, измерение температуры пирометром.
Выбор того или иного метода измерений определяется назначением их результатов и требованиями к точности.
1.2.2. Средства измерений
Под средством измерений понимается техническое средство
(или их комплекс), предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие
и (или) хранящие единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности)
в течение известного интервала времени.
Средства измерений можно классифицировать по следующим
основным признакам: тип, вид и метрологическое назначение.
Тип – это совокупность средств измерений, имеющих принци-
пиальную одинаковую схему, конструкцию и изготавливаемых по
одним и тем же техническим условиям.
Вид – это совокупность типов средств измерений, предназначенных для измерений какой-либо одной физической величины:
по метрологическому назначению средства измерений подразделяются на рабочие средства измерений, предназначенные для
измерений физических величин; метрологические средства измерений, предназначенные для обеспечения единства измерений;
конструктивному исполнению средства измерений подраз-
деляются: на меры; измерительные приборы; измерительные установки; измерительные системы; измерительные комплексы;
уровню автоматизации – на неавтоматизированные средства
измерений; автоматизированные средства измерений; автоматические средства измерений;
уровню стандартизации: стандартизованные средства измерений: нестандартизованные средства измерений;
отношению к измеряемой физической величине средства
измерений делятся на основные и вспомогательные.
Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизве-
дения заданного размера физической величины. Например, набор
Технические измерения. Лабораторный практикум. Ч. I
плоскопараллельных концевых мер длины. Различают меры однозначные и многозначные. Однозначная мера воспроизводит физичес-
кую величину одного размера (например, концевые меры длины, калибры и т. п.); многозначная мера – мера, воспроизводящая физическую величину разных размеров, например, линейка.
Комплект мер разного размера одной и той же физической величны, необходимый для применения на практике как в отдельности, так и в различных сочетаниях называется набором мер.
Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины
в установленном диапазоне. Измерительный прибор, как правило,
содержит устройство для преобразования измеряемой величины
в сигнал измерительной информации и его индикации в форме, наиболее доступной для восприятия. Например, в качестве устройства
для индикации используются шкала и стрелка и т. п.
Различают следующие измерительные приборы: показывающий, аналоговый, цифровой, регистрирующий, самопишущий, печатающий, суммирующий, интегрирующий, сравнения.
Показывающий измерительный прибор допускает только отсчи-
тывание показаний измеряемой величины (штангенциркуль, микрометр, вольтметр и т. п.).
В аналоговом измерительном приборе показания или выходной
сигнал являются непрерывной функцией измеряемой величины (ртутный термометр).
Цифровой измерительный прибор – измерительный прибор,
показания которого представлены в цифровой форме (штангенциркуль с числовым отсчетом).
Регистрирующий измерительный прибор – измерительный прибор, в котором предусмотрена регистрация показаний. Регистрация
может быть как в аналоговой, так и числовой форме. Эти измерительные приборы делятся на самопишущие и печатающие.
Самопишущий измерительный прибор – регистрирующий прибор, в котором предусмотрена запись показаний в форме диаграммы.
Печатающий прибор – прибор, в котором предусмотрено печатание показаний в цифровой форме.
Суммирующий измерительный прибор – измерительный прибор, показания которого функционально связаны с суммой двух или
10 11
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]