Metrologia_teoria

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способа достижения требуемой точности.

Измерение – нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств и выражение полученного результата в принятых единицах.

Признаки измерения:

1)Наличие физической величины

2)Требуется проведение опыта

3)Наличие средства измерения

4)Числовое значение физической величины

Средство измерения – такое измерительное средство, которое обладает нормированными техническими характеристиками.

Физическая величина – свойство, общее в качественном отношении для многих физических объектов, процессов или явлений, но индивидуальная в количественном отношении.

Действительное значение физической величины – значение, которое удовлетворяет в данном случае потребительским задачам.

Классификация ФВ.

1)Может совершать работу: активные, пассивные

2)Детерминированные, случайные

3)Аналоговые – ФВ, которая имеет бесконечное множество значений в заданном диапазоне; квантованные

4)Во времени: непрерывные, дискретные

Виды измерений.

По признаку получения результата:

1)Прямые – измерения, при которых искомое значение определяется непосредственно в ходе эксперимента

2)Косвенное – используется известная функциональная зависимость между результатами измеренными прямым способом и искомой ФВ

3)Совместные – производится одновременное измерение нескольких разноименных ФВ для нахождения зависимости между ними

4)Совокупные – измерения, когда происходит одновременное измерение нескольких одноименных ФВ для определения искомых значений другой ФВ

По признаку изменения во времени:

1)Статические – измерение значения некоторой ФВ, значение которой неизменно в течение времени использования результата

2)Динамические

По признаку кратности измерения:

1)Однократные

2)Многократные По признаку точности

1)Равноточные – обеспечиваются неизменные условия проведения, одни и те же средства измерения

2)Неравноточные – различные по уровню точности средства измерения. Информация – сведения, уменьшающие априорную неопределенность об объекте. Сигнал измерительной информации – сигнал, параметры которого функционально связаны с измеряемой величиной.

Информационный аспект измерения: получение любого СИИ – цепочка преобразований сигналов.

Классификация средств измерения.

Средство измерения – технические средства, обладающие нормированными метрологическими характеристиками.

Носителем ФВ является сигнал.

Сигнал – это физический процесс протекающий во времени. Интегральные характеристики:

1) Амплитудная - xA max x(t)

Используется для описания постоянной составляющей сигнала.

симметричных относительно нулевой оси сигналов.

Классификация средств измерения.

1)Меры – средства измерения, воспроизводящие ФВ заданного размера

2)Измерительные преобразователи – средства измерения, которые выдают СИИ в форме удобной для передачи, хранения, обработки, но неудобной для непосредственного восприятия наблюдателем. Термопара. Электрическую величину в электрическую (трансформатор). Не электрическую в электрическую. Генераторные (термопара). Параметрические (термометр сопротивления) не генерируют сигнал, для работы требуется дополнительный источник питания. Датчик – конструктивно оформленный измерительный преобразователь.

3)Измерительные приборы – средства измерения, вырабатывающие СИИ в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем. Аналоговые, цифровые. Выходная величина аналогового есть непрерывная функция входной величины. В зависимости от возможности сохранности результата разделяются на показывающие и регистрирующие. В зависимости от места установки выделяют стационарные и переносные.

4)Измерительные установки – совокупность конструктивно и функционально объединенных средств измерения и вспомогательных устройств, предназначенная для рационального построения измерительного эксперимента.

5)Измерительная система – совокупность конструктивно и функционально объединенных средств измерения и вспомогательных устройств, предназначенная для автоматического сбора измерительной информации от ряда объектов с последующей передачей, обработкой, хранением.

ИП1

КС К ПНК М ДМ ЭВМ

ИПn

К – коммутатор ПНК – преобразователь напряжение-код КС – канал связи М – модулятор ДМ – демодулятор

Методы измерений.

Взависимости от использования меры:

1)Метод непосредственной оценки – в процессе измерения меры не участвуют, результат получается непосредственно на отсчетном устройстве средства измерения. Мера используется опосредованно – при изготовлении прибора.

2)Методы сравнения – мера непосредственно участвует в процессе измерения Нулевой метод.

НИ – нуль индикатор Ех – измеряемое напряжение U0 – образцовая мера

Метод заключается в том, что разность измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой, в процессе измерения сводится к 0, что и фиксируется НИ. Результат равен значению меры. Мостовые измерительные приборы. При высокой точности меры метод позволяет получить результат измерения с высокой точностью. Дифференциальный метод.

Разность измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой, измеряется с помощью средства измерения. Результат получается как сумма значения меры и показаний средства измерения. Данный метод позволяет получать результат измерения с высокой точностью при использовании средства измерения сравнительно невысокой точности.

–абсолютная погрешность вольтметра.

Метод замещения.

Происходит поочередное измерение измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой. Значение неизвестной величины определяется по этим двум измерениям. Обладает достаточной точностью в случае, если объект измерения примерно равен мере.

Погрешности измерений.

Погрешность – количественная характеристика Точность – качественная характеристика, отражающая близость к нулю погрешности. Классификация.

По способу выражения:

2)Относительная - / xизм *100%

3)Приведенная - / xN *100% . Отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению. Только для описания средства измерения.

Нормирующее значение – характеристика средства измерения. По месту (причине) возникновения:

1)Методическая – из-за неадекватности принятой модели объекта измерения

2)Инструментальная – приборная погрешность самого средства измерения По характеру изменения:

1)Систематическая – постоянна или изменяется по известному закону

2)Случайная – изменяется по законам случайных чисел. Для ее нахождения используются элементы теории вероятности, статистические измерения

3)Промахи – субъективная погрешность оператора

По способу воздействия окружающей среды на средство измерения:

1)Основная – возникает при нормальных условиях эксплуатации средства измерения

2)Дополнительная – в условиях, отличных от нормальных

По характеру изменения во времени:

1)Статические – возникают при измерении постоянной во времени величины

2)Динамические – при измерении сигнала, изменяющегося во времени

По связи с измеренной величиной:

1)Аддитивная – не зависит от измеряемой величины

2)Мультипликативная – зависит от измеряемой величины

Характеристики средств измерений.

Неметрологические – характеристики, которые не влияют на точность результата измерения (вес, размер, цвет).

Метрологические – влияют на точность (входное сопротивление, емкость, трение и т.д.) Основные метрологические характеристики:

1)Номинальная статическая функция преобразования – зависимость между информационными параметрами входного и выходного сигнала. Вводится для типа средства измерения.

2)Действительная функция преобразования (уравнение преобразования) – реальная характеристика преобразования. В виде функциональной зависимости, таблицы входных и выходных значений, функции в координатах.

3)Чувствительность – отношение приращения выходной величины к вызвавшему это приращение приращения входной величины.

4)Порог чувствительности (разрешающая способность) – минимальное значение входной величины, которое может быть обнаружено по изменению выходной величины.

5)Постоянная прибора – отношение некоторого значения измеряемой величины к показанию прибора в делениях.

6)Цена деления – разность между соседними отметками шкалы, причем, если эта разность есть величина постоянная, то шкала равномерная.

7)Диапазоны показаний – разность между максимальным и минимальным значениями.

8)Диапазоны измерений – область на шкале средства измерения, в которой определены (заданы) метрологические характеристики – рабочий диапазон

9)Характеристики средства измерения, влияющие на измерительную цепь.

10)Погрешности средства измерения. Основная, дополнительная. Аддитивная, мультипликативная.

Нормирование погрешности средства измерения.

Класс точности средства измерения – основная интегральная метрологическая характеристика средства измерения, дающая предел основной погрешности. В некоторых случаях класс точности задает и дополнительные погрешности, и другие метрологические характеристики. Значение класса точности выбирают из некоторого числового ряда:

1.0*10n ,1.5*10n ,2.0*10n ,2.5*10n ,4*10n ,5*10n

n 3, 2, 1,0

У электронных осциллографов класс точности отражает другую величину. Нормирование – задание номинальной характеристики для данного типа средства измерения и допускаемых отклонений для данного результата.

Тип средства измерения – совокупность средств измерений одного и того же назначения, основанная на одном и том же принципе, имеющие одинаковую конструкцию и выполненные по одной технологической документации.

Способ нормирования погрешности средства измерения зависит от характера абсолютной погрешности данного средства.

Погрешность имеет аддитивный характер.

Мультипликативный характер погрешности.

Поверка – это выяснение соответствия данного средства измерения своему классу

Нормирование дополнительной погрешности сводится к заданию коэффициента влияния или функции влияния.

Электромеханические приборы.

Это приборы, в которых электрическая энергия измеряемого сигнала преобразуется в механическую энергию подвижной части прибора.

Измерительная цепь – служит для преобразования электрической энергии входного сигнала в электрическую же энергию (масштабирование)

Измерительный механизм – для преобразования электрической энергии в механическую движения подвижной части.

Отсчетное устройство – для визуализации.

Классификация электромеханических приборов.

1)По виду измеряемой величины (ток, напряжение, сопротивление, мощность, частота, фаза)

2)По роду электрического сигнала

3)По способу создания противодействующего момента (механический – пружина, логометрический – за счет дополнительной катушки, создающей встречное магнитное поле)

4)По способу успокоения подвижной части (магнитно-индукционный, воздушный, жидкостный)

5)По типу измерительного механизма (магнито-электрический, электро-магнитный, электро-динамический, электро-статический, индукционный, ферро-динамический)

Магнито-электрические приборы.

Магнитные полюсные наконечники, неподвижный сердечник, рамка с током, противодействующая пружинка.

M вр dWэм

d

BSn ___Wэм I ___ M вр BSnIBSnW I ___ SI BSnW

Поле в зазоре равномерное. Достоинства:

1)Высокая чувствительность SI 109 1013 дел / A

2)Высокая точность k=0.1;0.2

3)Нечуствительность к внешним магнитным полям, т.к. собственное поле сконцентрировано внутри измерительного механизма

4)Линейная равномерная шкала

Недостатки:

1)Низкая перегрузочная способность

2)Невозможность работы на переменном токе

3)Относительная сложность производства

Приборы на основе МЭИМ.

Амперметры.

Влияние источника питания на результат измерения убирается с помощью магнитного шунта, встроенного в конструкцию ИМ, который влияет на магнитное поле для компенсации напряжения питания.

Параллельная схема.

Достоинства:

1)Высокая точность

2)Высокая надежность

Недостаток: зависимость от напряжения питания.

Возможно построение комбинированных приборов (тестеров), измеряющих одновременно напряжение, ток, сопротивление, (индуктивность, емкость). На основе МЭИМ строятся также такие высокочувствительные приборы, как гальванометры, а также приборы для измерения на переменном напряжении.

Электронные аналоговые приборы и преобразователи.

Средства измерения, в которых преобразование сигнала измерительной информации производится с помощью аналоговых электронных устройств. Выходной сигнал таких средств измерения является непрерывной функцией входного сигнала. Используются для измерения всех видов электрических сигналов: напряжение, ток, сопротивление, фаза, частота… Электронные вольтметры – средства измерения, в которых измеряемое напряжение

преобразуется в постоянный ток, который измеряется МЭИМ. Характеристики:

1)Широкий диапазон измеряемых значений напряжения, от 10^-9 В на постоянном токе до 10^3 В на переменном токе.

2)Высокая чувствительность за счет использования входных усилителей

3)Большое входное сопротивление

4)Широкий частотный диапазон измеряемого напряжения от 0 до 10^8 Гц

Неравномерность АЧХ не должна превышать ±3 дБ относительно опорной. N 20lg h2

h1

Электронные вольтметры подразделяются на:

1)Постоянного тока

2)Переменного тока

3)Универсальные (также измеряют дополнительные величины)

4)Импульсные

5)Селективные

Электронные вольтметры постоянного напряжения.

Входной делитель, Усилитель постоянного тока, Измерительный механизм.

kВД kУПТ SUU x

Обладают высокой чувствительностью. Особенности:

1) 1) kУПТ 1

2) Большое входное сопротивление

Для увеличения чувствительности используется модулятор, демодулятор.

Г

Ux

U~

Uвых

Функцию модулятора и демодулятора выполняют аналоговые ключи, которые управляются генератором синхронно. Позволяет получать величину коэффициента усиления до ~10^5. Зависит от полярности.

Вольтметры переменного тока.

Взависимости от преобразователя:

1)Амплитудных значений

2)Средних значений

3)Действующих значений

Пиковые детекторы – преобразователи в вольтметрах амплитудных значений. Пиковый детектор с открытым входом.

Происходит подзаряд конденсатора положительной полуволной, отрицательная полуволна не пропускается диодом. Для минимизации пульсаций подбирают время

UВЫХ kVU A ; __Uпр Um

Из-за градуировки в действующих значениях Um ka.cUпр , коэффициент амплитуды

Увеличение входного напряжения увеличивает чувствительность и уменьшает влияние нелинейности входных диодов преобразователя (за счет перехода в область линейной зависимости)

Для усиления сигнала используют квадратирующие устройства.

Универсальные вольтметры.

На основе пиковых детекторов с закрытым входом. Постоянное напряжение: 0.1÷600В Переменное напряжение: 1÷600В Сопротивление: 10Ом÷100Мом Импульсные вольтметры.

Для измерения амплитуды сигналов различной формы. Особенности:

1)Малая длительность измеряемых импульсов 10÷100нс

2)Значительная скважность импульсов T / 109

Шкала градуируется в амплитудных значениях. Пиковый детектор с закрытым входом. Селективные вольтметры.

Для измерения действующих значений напряжения в некоторой полосе частот или действующего значения определенных гармоник.

Пропускает одну частоту. Действующее значение сигнала для реального вольтметра. Невысокая точность 6÷15% основная погрешность. 0.1мкВ÷1В. 10Гц÷100кГц.

Электронно-лучевой осциллограф.

Для визуального наблюдения, измерения и регистрации электрических сигналов. Особенности:

1)Широкий частотный диапазон

2)Высокая чувствительность

3)Большое входное сопротивление Электронно-лучевая трубка.

К – катод: эмиссия электронов. А1, А2 – аноды.

А1 – фокусировка: толщина линии А2 – ускоряющий анод.