Файл: Средства, методы и погрешность измерения.pdf

Введение

Будет рассмотрена тема Средства, методы и погрешность измерения. Будут изучены виды измерений, погрешность приборов измерений и методы измерений.

Измерение

Измерение – нахождение значения величины опытным путём с помощью специальных технических средств. Основным объектом измерения в метрологии являются физические величины. Измерение физической величины может быть осуществлено различными методами (способами), выбор которых в каждом отдельном случае зависит от характера измеряемой величины, от условий измерения, от устройства и принципа действий измеряемой аппаратуры, а также требуемой точности.

По способу получения числового значения измеряемой величины методы измерения делят на 3 вида:

1. Прямые

К прямым измерениям относятся измерения, результат которых получается непосредственно из опытных данных измерения.

Прямое измерение условно можно выразить формулой Y=Х, где

Y – искомое значение измеряемой величины;

Х – значение, непосредственно получаемое из опытных данных.

1. Косвенные

Косвенными называется такое измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. При косвеных измерениях числовое значение измеряемой величины определяют путем вычисления по формуле.

1. Совокупные

Совокупными Называются такие измерения, при коорых искомые значения величин определяются путем решения системы уравнений, связывающих значения искомых величин с непосредственно измеренными величинами, т. е. путем решения системы уравнений.

Они различаются по характеру использования мер.

Методы измерения

К наиболее важным методам, прямых измерений, постоянно встречающихся на практике, относятся следующие:

1. Метод непосредственной оценки.

2. Метод сравнения, состоящий из четырех разновидностей:

а) нулевой метод;

б) дифференциальный метод;

в) метод замещения;

г) метод совпадения.

Сущность метода непосредственной оценки состоит в том, о значение измеряемой величины судят по показанию одного или нескольких приборов прямого преобразования, заранее проградуированных в единицах измеряемой величины или в единицах других величин, от которых зависит измеряемое. Он принадлежит к числу наиболее распространенных в технической практике (в силу своей простоты), и типичным его примером служит измерение электрических величин стрелочными приборами. Точность этого метода обычно ограничивается точностью измерительных приборов. Отличительной особенностью этого метода является то, что мера непосредственного участия в процессе измерения не принимает.

---

Сущностью метода сравнения является то, что при использовании этих методов измеряемая величина в процессе измерения сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой.

Таким образом, отличительной чертой методов сравнения является непосредственное участие меры в процессе измерения. Они различаются по характеру использования мер.

А) Нулевой метод – это метод, при котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и образцовой меры на прибор сравнения (нулевой индикатор) доводится до нуля. Примерами использования нулевых методов в электротехнике являются мостовые и компенсационные схемы. Нулевые методы значительно сложнее методов непосредственной оценки, требуют значительно большего времени, но зато точность их несравненно выше (0,02% и выше).

Нулевые методы применяются в основном при проверке приборов, используемых непосредственной оценке.

Б) Дифференциальный метод – это метод, при котором непосредственно оценивается измерительными приборами разность между измеряемой величиной и образцово мерой или разность производимых ими эффектов.

Аиз-А=а

Аиз – измеряемая величина; А – показание прибора; а – погрешность.

Зная А и измерив а, можно найти Аиз. Точность этого метода тем выше, чем меньше измеряемая разность и с тем большей точностью она измерена (если разность между Аиз и А составляет 1% и измерено с точностью до 1%, то точность измерения составит уже 0,01%).

Дифференциальные методы используются при точных лабораторных измерениях (поверка образцовых сопротивлений, поверка измерительных трансформаторов и др.).

В) Метод замещения. Этот метод заключается в том, что в процессе измерения измеряемая величина Аиз заменяется в измерительную установку известной величиной А, при чем путем измерения величины А, измерительная установка приводится в прежнее состояние, то есть достигаются те же показания приборов, что и при действии величины Аиз. При таких условиях Аиз=.

Г) Метод совпадения. Этот метод заключается в том, что измеряют разность между искомой величиной и образцовой мерой, используя совпадения меток шкал или периодических сигналов. Сущность этого метода можно пояснить на примере определения размера дюйма.

Мера измерения

Мера — это, как правило, основа измерений.

Погрешности приборов

---

2. Погрешность измерений

Под погрешностью измерения понимается алгебраическая разность между полученным при измерении значением измеряемой величины и значением, выражающим истинный размер этой величины. Практически мы всегда заменяем значение, соответствующее истинному размеру измеряемой величины (сокращенно истинное значение измеряемой величины), значением, наиболее близким к истинному. По крайней мере, настолько близким, насколько это может удовлетворить нас в каждом данном конкретном случае. Таким образом, результат измерения дает нам только приближенное значение измеряемой величины. И оценить степень этого приближения мы можем тоже только приближенно. Можно ли погрешность измерения назвать ошибкой измерения? Видимо, нет, так как мы не умеем измерять лучше, точнее. Ошибкой измерения можно назвать ошибку, допущенную экспериментатором и обнаруженную при контрольных измерениях. В этих случаях мы говорим, что экспериментатор ошибся.

Измерительные преобразователи (ИП) — это средства измерения, выражающие измеряемую величину через другую величину или преобразующие ее в сигнал измерительной информации, который в дальнейшем можно обрабатывать, преобразовывать и хранить. Измерительные преобразователи могут преобразовывать измеряемую величину по--разному.

1. Обязательными свойствами измерительного преобразователя являются нормированные метрологические свойства и вхождение в цепь измерения.
2. Измерительный прибор — это средство измерения, посредством которого получается значение физической величины, принадлежащее фиксированному диапазону. В конструкции прибора обычно присутствует устройство, преобразующее измеряемую величину с ее индикациями в оптимально удобную для понимания форму. Для вывода измерительной информации в конструкции прибора используется, например, шкала со стрелкой или цифр указатель, посредством которых и осуществляется регистрация значения измеряемой величины. В некоторых случаях измерительный прибор синхронизируют с компьютером, и тогда вывод измерительной информации производится на дисплей.
3. В соответствии с методом определения значения измеряемой величины выделяют:
4. Измерительные приборы прямого действия — это приборы, посредством которых можно получить значение измеряемой величины непосредственно на отсчетном устройстве.
5. Измерительный прибор сравнения — это прибор, посредством которого значение измеряемой величины получается при помощи сравнения с известной величиной, соответствующей ее мере.

---

Калибровка

1. Калибровка средства измерения- совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения действительных значений метрологических характеристик и (или) пригодности к применению средства измерений, не подлежащего государственному метрологическому контролю и надзору.
2. Из определения можно сделать два вывода:
3. 1) калибровка проводится для тех СИ, которые не используются в сферах ГМКиН (установленных ст. 13 ФЗ ≪Об обеспечении единства измерений≫, а значит, не подлежат поверке;
4. 2) калибровка выполняет две функции:
5. - определение и подтверждение действительных значений метрологических характеристик СИ;
6. - определение и подтверждение пригодности СИ к применению.
7. В первом случае лаборатория, калибрующая по заявке (договору) заказчика СИ, не делает вывода о пригодности прибора. Установленные характеристики могут отличаться от паспортных, и только в компетенции заказчика определять, в каких условиях и для каких целей можно и нужно использовать данные СИ.
8. Во втором случае СИ признается пригодным, если действительное значение его метрологических характеристик соответствует техническим требованиям, установленным в НД или заказчиком. Вывод о пригодности СИ в этом случае делает калибровочная лаборатория.
9. В решаемых на практике измерительных задачах калибровка может сводиться только к проверке пригодности СИ, т.е. его работоспособности. В частности, требуется знать не действительные значения измеряемой величины, нужно лишь констатировать наличие величины измеряемого сигнала определенного уровня. Примером может служить калибровка устройств сигнализаторов предельного значения температуры. В сигнализаторах, имеющих одну или несколько сигнальных лампочек, включение или выключение последних свидетельствует о достижении предельных значений величины. В устройствах, имеющих шкалу в виде нескольких цветовых секторов (подобных посуде фирмы ≪Цептер≫), положение указательной стрелки в пределах конкретного сектора означает определённое состояние объекта измерений.
10. В ст. 23 ФЗ ≪Об обеспечении единства измерений≫ указывается на добровольный характер и область применения калибровки. Добровольный характер калибровки не освобождает МС от необходимости использования при калибровочных работах эталонов, соподчиненных с государственными эталонами единиц величин.
11. Калибровка может быть возложена как на МС юридического лица, так и на любую другую организацию, способную выполнить калибровочные работы. Результаты калибровки СИ удостоверяются калибровочным знаком, наносимым на СИ, записью в эксплуатационных документах или сертификатом о калибровке.
12. На основе договоров, заключаемых с государственными научными метрологическими центрами или органами ГМС, заинтересованные МС юридических лиц могут быть аккредитованы на право проведения калибровочных работ. В этих случаях последним предоставляется право выдавать сертификаты о калибровке от имени органов и организаций, которые их аккредитовали.
13. Шкала — это система отметок и соответствующих им последовательных числовых значений измеряемой величины. Главные характеристики шкалы:
14. Деление шкалы — это расстояние от одной отметки шкалы до соседней отметки.
15. Длина деления — это расстояние от одной осевой до следующей по воображаемой линии, которая проходит через центры самых маленьких отметок данной шкалы.
16. Цена деления шкалы — это разность между значениями двух соседних значений на данной шкале.
17. Диапазон показаний шкалы – это область значений шкалы, нижней границей которой является начальное значение данной шкалы, а верхней - конечное значение данной шкалы.
18. Диапазон измерений — это область значений величин в пределах которой установлена нормированная предельно допустимая погрешность.
19. Пределы измерений — это минимальное и максимальное значение диапазона измерений.
20. Выделяют следующие виды шкал измерительных приборов:
21. Односторонняя шкала — это шкала, у которой ноль располагается в начале.
22. Двусторонняя шкала — это шкала, у которой ноль располагается не в начале шкалы.
23. Симметричная шкала — это шкала, у которой ноль располагается в центре.
24. Диапазон измерений- область значений величины, в пределах которых нормированы допускаемые пределы погрешности. Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу или сверху (слева и справа), называют соответственно нижним или верхним пределом измерений.
25. Порог чувствительности- наименьшее изменение измеряемой величины, которое вызывает заметное изменение выходного сигнала. Например, если порог чувствительности весов равен 10 мг, то это означает, что заметное перемещение стрелки весов достигается при таком малом изменении массы, как 10 мг.
26. К метрологическим свойствам второй группы относятся два главных свойства точности: правильность и прецизионность результатов.
27. Точность измерений СИ определяется их погрешностью.
28. Погрешность средства измерений — это разность между показаниями СИ и истинным (действительным) значением измеряемой величины. Поскольку истинное значение физической величины неизвестно, то на практике пользуются ее действительным значением. Для рабочего СИ за действительное значение принимают показания рабочего эталона низшего разряда (допустим, 4-го), для эталона 4-го разряда, в свою очередь, - значение величины, полученное с помощью рабочего эталона 3-го разряда. Таким образом, за базу для сравнения принимают значение СИ, которое является в поверочной схеме вышестоящим по отношению к подчиненному СИ, подлежащему поверке.
29. Погрешности СИ могут быть классифицированы по ряду признаков, в частности:
30. - по способу выражения - абсолютные, относительные;
31. - по характеру проявления - систематические, случайные;
32. - по отношению к условиям применения - основные, дополнительные.
33. Однако в большей степени точность СИ характеризует относительная погрешность, т.е. выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности к действительному значению величины, измеряемой или воспроизводимой данным СИ. 

---