К лабораторной работе 1.
Классификация средств измерений.
Средства измерений классифицируются по разнообразным признакам, условно объединенным в классификационные группы. Признаки в большинстве случаев взаимно независимы и в каждом средстве измерений могут находиться почти в любых сочетаниях.
К числу этих признаков относятся:
принцип действия;
конструктивные особенности;
способ образования показаний;
способ получения числового значения измеряемой величины;
точность;
условия применения;
степень защищенности от внешних магнитных и электрических полей;
прочность и устойчивость против механических воздействий и перегрузок;
стабильность;
чувствительность;
Классификация также может быть проведена по метрологическому назначению и по виду измерений.
По метрологическому назначению средства измерений делят на образцовые и рабочие. Образцовые средства измерений предназначены для поверки по ним других средств измерений, как рабочих, так и образцовых менее высокой точности.
По виду измерений выделяют средства измерения линейных и угловых величин, отклонения формы, массы, силы, прочности , твердости, плотности , вязкости, температурных, теплофизических и физико-технических величин, акустических, электрических величин, времени и частоты, параметров движения, расхода и количества, давления и пр.
Целью классификации может быть разработка спецификации средства измерений.
Метрологические характеристики.
Меры характеризуются номинальным и действительным значениями. Номинальное значение меры - значение величины, указанное на мере или приписываемое ей. Действительное значение меры - действительное значение величины, воспроизводимой мерой.
Измерительные приборы состоят из чувствительного элемента, который находится под непосредственным воздействием физической величины, измерительного механизма и отсчетного устройства. Отсчетное устройство показывающего прибора может быть выполнено в виде шкалы и указателя в виде материального стержня-стрелки, луча света (световой указатель) или визуализируемого электронного луча.
Шкала – это часть отсчетного устройства, представляющая собой совокупность отметок, соответствующих последовательному ряду значений величины вместе со связанной с ними нумерацией. Шкалы с делениями постоянной длины называют равномерными.
Длина деления шкалы а - расстояние между осями (или центрами) двух соседних отметок шкалы.
Цена деления шкалы С - разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкал.
Чувствительность прибора определяется отношением сигнала на выходе прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины. Абсолютную чувствительность прибора определяют по формуле S=а/С. При измерениях длин чувствительность прибора является безразмерной величиной и называется также передаточным отношением прибора.
Начальное и конечное значения шкалы - наименьшее и наибольшее значения измеряемой величины, указанные на шкале. Диапазон показаний - область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности прибора.
Предел измерений - наибольшее или наименьшее значение диапазона измерений.
Вариация показаний - разность показаний прибора, соответствующих данной точке диапазона измерений, при двух направлениях медленных измерений показаний прибора.
Стабильность средства измерения - качество средства измерений, отражающее неизменность во времени его метрологических свойств.
Измерительное усилие прибора - сила, создаваемая прибором при контакте с изделием и действующая по линии измерения. Оно обычно вызывается пружиной, обеспечивающей контакт чувствительного элемента прибора, например измерительного наконечника, с поверхностью измеряемого объекта. При деформации пружины происходит изменение усилия: разность между наибольшим и наименьшим значениями -максимальное колебание измерительного усилия.
Погрешности результатов измерений.
Погрешность измерения возникает в результате наложения элементарных погрешностей, вызываемых разными причинами. Рассмотрим отдельные составляющие суммарной погрешности, влияющие на точность измерений:
погрешности объекта измерений, связанные с изменением измеряемой величины в процессе измерений, неоднородностью объекта измерения, нечеткими границами его и т. п.
личные погрешности, зависимые от психологических особенностей оператора и его квалификации. Например,погрешность отсчитыванияпоявляется при недостаточно точном отсчитывании показаний прибора, а погрешность интерполяции при отсчитываниипроисходит от недостаточно точной оценки на глаз доли деления шкалы, соответствующей положению указателя.
инструментальные погрешности определяется погрешностью применяемых средств измерения — измерительных приборов и мер. Они возникают вследствие недостаточной точности приборов, несвоевременного выполнения их поверок и т. д. К их числу относится погрешность от перекоса в приборах, в конструкции которых не соблюден принцип Аббе, заключающийся в том, что линия измерения должна являться продолжением линии шкалы. Например, перекос рамки штангенциркулей изменяет расстояние между зонами контакта рамки и штанги при измерении объекта. Погрешность измерения из-за перекоса ΔхПЕР = l - l' = L . При выполнении принципа Аббе L = 0 и соответственно ΔхПЕР = 0.
погрешности метода, обусловлена несовершенством метода измерения, упрощением используемых формул, алгоритмов и процессов измерений, например, неправильно выбранной схемой базирования (установки) изделия, неправильно выбранной последовательностью проведения измерений;
погрешности внешней среды, обусловленные влиянием температуры, влажности, освещенности, вибрации. Внешние погрешности возникают вследствие отклонения от нормальных условий измерения. Например, отклонение температуры от нормального значения 20° С приводит к изменению длины деталей, средств измерений и изделий. Если невозможно создать нормальные условия, то в результате линейных измерений следует вводить температурную поправку:
Δхt = xиз [1(t1 — 20) — 2(t2 — 20)] , (1)
где xиз — измеряемый размер; 1 и 2 — коэффициенты линейного температурного расширения материалов средства измерения и изделия; t1 и t2 — температуры средства измерения и изделия.
Кроме перечисленных групп составляющие суммарной погрешности можно объединить в группу с комбинированными причинами появления. Примером таких погрешностей являются погрешность от параллакса и погрешности от измерительного усилия.
Погрешность от параллакса возникает вследствие визирования (наблюдения) стрелки, расположенной на некотором расстоянии от поверхности шкалы в направлении, не перпендикулярном к поверхности шкалы. Погрешность от параллакса ΔхП прямо пропорциональна расстоянию h указателя от плоскости шкалы и тангенсу угла линии зрения наблюдателя к поверхности шкалы: ΔхП = h tg .
Погрешности измерений от измерительного усилия возникают вследствие контактных деформаций в месте соприкосновения поверхностей средства измерения и изделия; деформации формы изделия, например тонкостенных деталей; упругих деформаций установочного узла, например скоб, стоек или штативов.
Разность Δ между измеренным xi и истинным (действительным, номинальным, проектным) значением физической величины Х называется истинной, (действительной) абсолютной погрешностью
Δ = xi — X. (2)
Абсолютные погрешности измерений, как правило, состоят из двух компонентов: систематической и случайной .
Систематическая погрешность является составляющей погрешности измерения, которая остается постоянной или закономерно изменяется при повторных измерениях одной и той же величины. К систематическим относятся, например, погрешности от неисправности прибора. Систематические погрешности могут быть изучены опытным путем и исключены из результатов измерений. В целях исключения систематической погрешности вводится поправка — значение величины, одноименной с измеряемой, прибавляемое к полученному при измерениях значению. Поправка суммируется с номинальным значением меры или с показаниями прибора.
Случайная погрешность — составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины, вследствие большого числа неподдающихся учету причин, например погрешности от вариации показаний измерительного прибора, погрешности округления или отсчитывания показаний прибора. Случайные погрешности нельзя полностью исключить из результатов измерений, но их влияние можно уменьшить путем многократных повторных измерений одной величины и обработкой опытных данных.
Грубая погрешность — погрешность измерения, существенно превышающая ожидаемую при данных условиях погрешность. Результаты измерений, содержащие грубые погрешности, исключают как недостоверные.
При проведении измерений следует придерживаться следующих правил:
если систематическая погрешность является определяющей, т. е. ее величина существенно больше случайной погрешности, присущей данному методу, то достаточно выполнить измерения лишь дважды, так как увеличение их числа не повысит точности конечного результата;
если систематические погрешности меньше случайных, то, увеличивая число измерений, можно получить результат, точность которого будет выше, чем точность одного измерения.
Измерения считаются равноточными, если все значимые факторы и их влияние на процесс измерений примерно одинаковы в течение всего периода выполнения измерений. При неодинаковых факторах результаты будут неравноточными.