Демина Методы и средства измерений испытаний и контроля 2010

Важной разновидностью измерительно-информационной системы является измерительно-вычислительный комплекс.

Измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) – функционально объединенная совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения в составе измерительной системы конкретной измерительной задачи.

Основными признаками принадлежности средства измерений к ИВК являются:

-наличие процессора или компьютера;

-программное управление средствами измерений;

-наличие нормированных метрологических характеристик;

-блочно-модульная структура, состоящая из технической (аппаратной) и программной (алгоритмической) подсистем.

Техническая подсистема должна содержать средства измерений электрических величин (измерительные компоненты), средства вычислительной техники (вычислительные компоненты), меры текущего времени и интервалов времени, средства ввода-вывода цифровых и аналоговых сигналов с нормированными метрологическими характеристиками.

В программную подсистему ИВК входят системное и общее прикладное программное обеспечение, в совокупности образующие математическое обеспечение ИВК. Системное программное обеспечение представляет собой совокупность программного обеспечения компьютера, используемого в ИВК, и дополнительных программных средств, позволяющих работать в диалоговом режиме; управлять измерительными компонентами; обмениваться информацией внутри подсистем комплекса; проводить диагностику технического состояния. Программное обеспечение представляет собой взаимодополняющую, взаимодействующую совокупность подпрограмм, реализующих:

-типовые алгоритмы эффективного представления и обработки измерительной информации, планирования эксперимента и других измерительных процедур;

-архивирование данных измерений;

-метрологические функции ИВК (аттестация, поверка, калибровка, экспериментальное определение метрологических характеристик и т.п.).

81

Измерительно-вычислительные комплексы предназначены для выполнения таких функций, как:

-осуществление прямых, косвенных, совместных или совокупных измерений физических величин;

-управление процессом измерений и воздействием на объект измерений;

-представление оператору результатов измерений в требуемом виде.

На рис. 1.19 представлен общий вид ИВК: трехкоординатной измерительной машины фирмы «Оптон», а в приложении 2 – краткое описание.

Рис. 1.19. Общий вид трех координатной измерительной машины

Вопросы для самопроверки

1.Какие технические устройства относятся к средствам измерительной техники?

2.Поясните метрологическую сущность средства измерений.

3.Какие средства измерений относятся к элементарным?

82

4.С какой целью применяются измерительные преобразовате-

ли?

5.Что относится к средствам сравнения?

6.Какие средства измерений относятся к комплексным?

7.Нарисуйте структурную схему измерительного прибора.

8.В чем отличие измерительной системы от измерительной установки?

1.6.Метрологические характеристики средств измерений. Условия измерений

1.6.1.Метрологические характеристики средств измерений

При использовании средств измерений принципиально важно знать степень соответствия информации об измеряемой физической величине, содержащейся в выходном сигнале, ее истинному значению. С этой целью для каждого средства измерений вводятся и нормируются определенные метрологические характеристики.

Метрологическая характеристика средства измерений – характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений и на его погрешность.

Для каждого типа средств измерений устанавливают свои метрологические характеристики.

Метрологические характеристики средств измерений позволяют:

-определять результаты измерений и рассчитывать оценки характеристик инструментальной составляющей погрешности1) измерения в реальных условиях применения СИ;

-рассчитывать метрологические характеристики каналов2) измерительных систем, состоящих из ряда средств измерений с известными метрологическими характеристиками;

1)Инструментальная погрешность измерения – составляющая погрешности измерения, обусловленная погрешностью применяемого средства измерений.

2)Измерительный канал (измерительная цепь измерительной систе-

мы) – совокупность элементов средств измерений, образующих непре-

83

-производить оптимальный выбор СИ, обеспечивающих требуемое качество измерений при известных условиях их применения;

-сравнивать СИ различных типов с учетом условий примене-

ния.

Метрологические характеристики, устанавливаемые норматив- но-техническими документами, называют нормируемыми метрологическими характеристиками, а определяемые экспериментально –

действительными метрологическими характеристиками.

Нормируемые метрологические характеристики типа сред-

ства измерений – совокупность метрологических характеристик данного типа1) средств измерений, устанавливаемая нор-

мативными документами на средства измерений.

Примечание. Средства измерений одного типа могут иметь различные модификации (например, отличаться по диапазону измерений).

Номенклатура метрологических характеристик, правила выбора комплексов нормируемых метрологических характеристик для средств измерений и способы их нормирования определяются ГОСТ 8.009–84.

К числу основных метрологических характеристик относятся:

-цена деления;

-диапазон измерений средства измерений;

-точностные характеристики средства измерений;

-чувствительность средства измерений;

-нестабильность;

-дрейф показаний средства измерений и др.

Если размер единицы, хранимой средством измерения, в процессе измерений изменяется более чем установлено нормами, то с помощью такого средства измерений невозможно получить результат требуемой точности.

рывный путь прохождения измерительного сигнала одной физической величины от входа до выхода.

1) Тип средства измерений – cовокупность средств измерений одного и того же назначения, основанных на одном и том же принципе действия, имеющих одинаковую конструкцию и изготовленных по одной и той же технической документации.

84

К основным точностным характеристикам средств измерений относятся:

-погрешность средства измерений (основная, дополнительная);

-нестабильность;

-порог чувствительности;

-дрейф показаний средства измерений и другие.

Цена деления шкалы – разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы средства измерений.

Диапазон измерений средств измерений – область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средств измерений.

Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют, соответственно, нижним пределом измерений или верхним пределом измерений.

Точностные характеристики средства измерений – совокупность метрологических характеристик средства измерений, влияющих на погрешность измерения.

Чувствительность средства измерений – свойство средства измерений, определяемое отношением изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины.

Порог чувствительности средства измерений – характеристика средства измерений в виде наименьшего значения измерения физической величины, начиная с которого может осуществляться её измерение данным средством.

Если самое незначительное изменение массы, которое вызывает перемещение стрелки весов, составляет 10 мг, то порог чувствительности весов 10 мг.

Погрешность средства измерений – разность между показанием средства измерений и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины.

Нестабильность средства измерений – изменение метрологических характеристик средства измерений за установленный интервал времени.

Для ряда средств измерений, особенно некоторых мер, нестабильность является одной из важнейших точностных характери-

85

стик. Для нормальных элементов обычно нестабильность устанавливается за год.

Нестабильность определяют на основании длительных исследований средства измерений, при этом полезны периодические сличения с более стабильными средствами измерений.

Пример. Нестабильность нормального элемента характеризуется изменением действительного значения ЭДС за год. Например, Vн.э. = 2 мкВ/год.

Дрейф показаний средства измерений – изменение показаний средства измерений во времени, обусловленное изменением влияющих величин или других факторов.

Пример. Ход хронометра, определяемый как разность поправок к его показаниям, вычисленных в разное время. Обычно ход хронометра определяют за сутки (суточный ход).

Примечание. Если происходит дрейф показаний нуля, то применяют термин дрейф нуля.

Точность средства измерений – характеристика качества средства измерений, отражающая близость его погрешности к нулю.

Считается, что чем меньше погрешность, тем точнее средство измерений.

Стабильность средства измерений – качественная характеристика средства измерений, отражающая неизменность во времени его метрологических характеристик.

В качестве количественной оценки стабильности служит не-

стабильность средства измерений.

Класс точности средств измерений – обобщающая характеристика данного типа средства измерений, как правило, отражающая уровень их точности, выражаемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность.

Класс точности даёт возможность судить о том, в каких пределах находится погрешность средства измерений одного типа, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью каждого из этих средств. Это важно при выборе средств измерений в зависимости от заданной точности измерений.

86

Класс точности средств измерений конкретного типа устанавливают в стандартах технических требований (условий) или в других нормативных документах.

1.6.2. Условия измерений

В процессе измерения важную роль играют условия измерения – совокупность влияющих величин, описывающих состояние окружающей среды и средства измерений.

Влияющая физическая величина – физическая величина, оказывающая влияние на размер измеряемой величины и (или) результат измерений.

Изменение условий измерения приводит к изменению состояния объекта измерения. Это, в свою очередь, определяет влияние условий измерения на выделенную физическую величину и через нее – на измеряемую величину и отклонение значения действительной измеряемой величины от той, которая была определена при формировании измерительной задачи. Влияние условий измерения на средство измерений проявляется в изменении его метрологических характеристик. При этом та часть погрешности измерения, которая возникает из-за перемены условий, называется дополнительной погрешностью.

В соответствии с установленными для конкретных ситуаций диапазонами значений влияющих величин различают нормальные,

рабочие и предельные условия измерений.

Нормальные условия измерений – условия измерения, характеризуемые совокупностью значений или областей значений влияющих величин, при которых изменением результата измерений пренебрегают вследствие малости.

Нормальное значение влияющей величины – значение влияющей величины, установленное в качестве номинального.

Нормальные условия измерений устанавливаются в нормативных документах на средства измерений данного типа. При нормальных условиях определяется основная погрешность средства измерения.

Номинальные значения влияющих величин при нормальных условиях приведены в табл. 1.2.

87

Таблица 1.2 Номинальные значения влияющих величин при нормальных условиях

Нормальная область значений влияющей величины – область значений влияющей величины, в пределах которой изменением результата измерений под её воздействием можно пренебречь в соответствии с установленными нормами точности.

Пример. Нормальная область значений температуры при поверке нормальных элементов класса точности 0,005 в термостате не должна изменяться более чем на +0,05 °С от установленной температуры 20 °С, т.е. быть в диапазоне от 19,95 °С до 20,05 °С.

Рабочие условия измерений – условия измерений, при которых значения влияющих величин находятся в пределах рабочих областей.

Рабочая область значений влияющей величины – область значений влияющей величины, в пределах которой нормируют дополнительную погрешность или изменение показаний средства измерений.

Например, для измерительного конденсатора нормируют дополнительную погрешность на отклонение температуры окружающего воздуха от нормальной (20 °С); для амперметра нормируют изменение показаний, вызванное отклонением частоты переменного тока от 50 Гц (50 Гц в данном случае принимают за нормальное значение частоты).

Предельные условия измерений – условия измерений, характеризуемые экстремальными значениями измеряемой и влияющих величин, которые средство измерений может выдержать без разрушений и ухудшения его метрологических характеристик.

Рабочее пространство – часть пространства (окружающего средство измерений и объект измерений), в котором нормальная область значений влияющих величин находится в установленных пределах.

Вопросы для самопроверки

1. Что представляет собой метрологическая характеристика средства измерений?

89

2.Какие метрологические характеристики относятся к нормируемым метрологическим характеристикам?

3.Что понимается под точностью средства измерений?

4.Что понимается под условиями измерений?

5.Чем характеризуются нормальные условия измерений?

6.Что представляет собой рабочее пространство?

1.7.Основные понятия теории погрешностей

1.7.1. Основные понятия

Качество средств и результатов измерений принято характеризовать, указывая их погрешности. Введение понятия «погрешность» требует определения и четкого разграничения трех понятий: истинного и действительного значений измеряемой физической величины и результата измерения.

Истинное значение физической величины – значение физической величины, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину.

Истинное значение физической величины может быть соотнесено с понятием абсолютной истины. Оно может быть получено только в результате бесконечного процесса измерений с бесконечным совершенствованием методов и средств измерений, поэтому оно не зависит от средств нашего познания и является той абсолютной истиной, к которой мы стремимся, пытаясь выразить ее в виде числовых значений. На практике это абстрактное значение приходится заменять понятием «действительное значение».

Действительное значение физической величины – значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него.

Результат измерения физической величины – значение величины, полученное путем ее измерения.

Понятие «погрешность» – одно из центральных в области измерений, так как от погрешности зависит качество измерений. Разли-

90