Лекция № 4 “Измерения. Средства измерений” План лекции: 1.Виды и методы измерений

Лекция № 4
Тема лекции: “Измерения. Средства измерений”
План лекции:
1.Виды и методы измерений
2.Понятие о средстве измерения
3.Классификация средств измерения
1.Виды и методы измерений
Когда наш предок – древний, но уже мыслящий человек попытался найти для
себя пещеру, он вынужден был соразмерить длину, ширину и высоту своего
будущего жилища с собственным ростом. А ведь это и есть измерение – сравнение
неизвестной величины с однородной ей величиной, принятой за единицу.
В наши дни этот познавательный процесс не обходится без измерительных
средств – приборов и мер. Нет ни одной области практической деятельности
человека, где можно было обойтись без измерений:
·ребенок появляется на свет, еще не имеет имени, но нам становятся
известны его рост, вес, температура – уже в первые минуты жизни нам
приходится сталкиваться с линейкой, весами, термометром.
·каждое утро, выходя из дома, мы оцениваем температуру воздуха на улице,
и одеваем при необходимости легкую или теплую одежду.
Измерение ФВ – это нахождение физической величины опытным путём с
помощью специальных технических средств.
1. Виды измерений
Виды измерений определяются:
·физическим характером измеряемой величины,
·требуемой точностью измерения,
·необходимой скоростью измерения,
·условиями и режимом измерений и т. д.
В метрологии существует множество видов измерений, и число их постоянно
увеличивается.
1
1)По способу получения информации:
прямые
косвенные
совокупные
совместные
·Прямые измерения - это нахождение искомого значения величины из опытных
данных путем экспериментального сравнения.
*длину измеряют непосредственно линейкой, температуру - термометром,
силу - динамометром.
Уравнение прямого измерения: y  Ц  x у, где Ц - цена деления СИ.
·Косвенные измерения – используют результаты прямых измерений величин,
связанных с искомой определенной зависимостью.
*электрическое сопротивление находят путем деления падения напряжения на
U
величину силы электрического тока - R  .
I
y
 f ( x1 , x 2 ,...x n ) , где x i - i-й результат
Уравнение косвенного измерения
прямого измерения.
·Совокупные измерения - связаны с решением системы уравнений, составляемых
по результатам одновременных измерений нескольких однородных величин. Решение
системы уравнений дает возможность вычислить искомую величину.
Однородные – одинаковые.
? Какие величины являются однородными:
1.масса и сила
2.длина и диаметр
*при определении взаимоиндуктивности катушек М используют два метода:
сложения и вычитания полей. Если индуктивность одной из них L1 , а другой L 2 , то находят:
L01  L1  L2  2M ,
L02  L1  L2  2M .
Откуда M 
L01  L02
.
4
·Совместные измерения - это измерения двух или более неоднородных
физических величин для определения зависимости между ними.
2
*измерение сопротивления Rt проводника при фиксированной температуре t
по формуле: Rt  R0  (1    t ) ,
где R 0 - сопротивление при известной температуре to (обычно 20°С)
 - температурный коэффициент -
величины постоянные, измеренные
косвенным методом.
t  t  t 0 - разность температур, t – измеряется прямым методом.
2 ) По характеру изменения измеряемой величины в процессе измерений:
статистические
динамические
статические
·Статистические измерения связаны с определением характеристик случайных
процессов.
*определение звуковых сигналов, уровня шумов и т.д.
·Статические измерения - когда измеряемая величина практически постоянна.
·Динамические измерения связаны с такими величинами, которые в процессе
измерений претерпевают те или иные изменения.
3 ) По к о лич е с тву и зм е р и те льн ой и н фо р м ац ии :
однократные
многократные
·Однократные измерения — это одно измерение одной величины, т.е. число
измерений равно числу измеряемых величин.
Практическое применение такого вида измерений всегда сопряжено с
большими погрешностями, поэтому следует проводить не менее трех однократных
измерений и находить конечный результат как среднее арифметическое значение.
·Многократные измерения когда число измерений больше количества
измеряемых величин. Обычно минимальное число измерений в данном случае
больше трех.
Преимущество многократных измерений — в значительном снижении влияний
случайных факторов на погрешность измерения.
3
4 )По о тно шени ю к ос новн ым единиц ам и зм ере ния:
абсолютные
относительные
·Абсолютными измерениями называют такие, при которых используются прямое
измерение одной (иногда нескольких) основной величины и физическая константа.
* в формуле Эйнштейна E  m  c 2 масса (m) — основная ФВ, которая может
быть измерена прямым путем (взвешиванием), а скорость света (с) - физическая
константа.
·Относительные измерения базируются на установлении отношения измеряемой
величины к однородной, применяемой в качестве единицы.
2. Методы измерений
Приведенные виды измерений включают различные методы, т.е. способы
решения измерительной задачи с теоретическим обоснованием и разработкой
использования СИ.
Метод измерений - это теоретическое обоснование принципов измерения и
разработка способов применения средств измерения.
Как известно, искомое значение ФВ находится посредством сопоставления ее с
мерой, материализующей единицу этой величины.
В зависимости от способа
применения меры различают:
·методы непосредственной оценки
·методы сравнения.
1.Метод непосредственной оценки
- значение ФВ непосредственно
определяют по отсчётному устройству прямого действия, т.е. такого прибора,
который реагирует непосредственно на всю измеряемую величину или
производимый ею эффект.
Этот метод прост, но не обеспечивает высокой точности.
*измерение давления - манометром, массы - на весах, силы электрического тока
- амперметром.
4
2.Метод сравнения с мерой - измеряемую величину сравнивают с величиной,
воспроизводимой мерой.
*измерение сопротивления по мостовой схеме или измерение массы на
равноплечих весах.
Отличительной чертой методов сравнения является непосредственное участие
меры в процедуре измерения, в то время как в методе непосредственной оценки мера
в явном виде при измерении не присутствует, а ее размеры перенесены на отсчетное
устройство (шкалу) СИ заранее, при его градуировке. Обязательным в методе
сравнения является наличие сравнивающего устройства.
Метод сравнения с мерой имеет несколько разновидностей:
дифференциальный
нулевой
замещения
·Нулевой метод (или метод полного уравновешивания) - метод сравнения с
мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и
встречного воздействия меры на сравнивающее устройство сводят к нулю.
*Измерение массы на равноплечих весах, когда
воздействие
на
весы
массы
mx
полностью
уравновешивается массой гирь m 0 .
·При дифференциальном методе полное уравновешивание не производят, а
разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой
отсчитывается по шкале прибора.
*Измерение массы на равноплечих весах, когда
воздействие
массы
mx
на
весы
частично
уравновешивается массой гирь m 0 , а разность масс
отсчитывается по шкале весов, градуированной в
единицах массы. В этом случае значение измеряемой
5
величины m x  m0  m , где m - показания весов.
·Метод замещения - метод сравнения с мерой, в котором измеряемую
величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой.
*Взвешивание
на пружинных весах. Измерение
производят в два приема. Вначале на чашу весов
помещают взвешиваемую массу и отмечают положение
указателя весов; затем массу m x замещают массой гирь
m 0 , подбирая ее так, чтобы указатель весов установился
точно в том же положении, что и в первом случае.
При этом ясно, что m x  m0 .
2.Понятие о средстве измерения
Согласно ГОСТ 16263—70 средство измерений (СИ) - это техническое
средство,
используемое
при
измерениях
и
имеющее
нормированные
метрологические характеристики.
Метрологические характеристики – характеристики средств измерения,
оказывающие влияние на результаты измерений.
На практике наиболее распространены следующие MX СИ.
Диапазон измерений - область значений измеряемой величины, для которой
нормированы допускаемые пределы погрешности СИ..
Предел измерения — наибольшее или наименьшее значение диапазона
измерения.
*у шкалы на рис. начальный участок (~20%) сжат,
потому производить отсчеты на нем неудобно. Тогда
предел измерения по шкале составляет 50 ед., а
диапазон — 10...50 ед. (там где =Ц).
Цена деления шкалы – определяется по формуле: Ц 
X
,
N
6
где: Х – конечное значение шкалы на данном пределе измерения – 200 В,
N - число отметок (рисок) всей шкалы – 20.
Ц
200 В
 10 В - расстояние между двумя соседними рисками. Тогда если
20
стрелка остановилась на пяти делениях, то общее показание будет равно:
5  Ц  5  10 В  50 В .
Т.о. – это расстояние между двумя соседними отметкам шкалы.
Приборы с равномерной шкалой имеют постоянную цену деления, а с
неравномерной - переменную. В этом случае нормируется минимальная цена
деления.
Чувствительность прибора – численно равна перемещению указателя (  ),
соответствующему единице измеряемой величины.
S

x
*чувствительность амперметра к току S I равна 20 делений на А.
Чувствительность нельзя отождествлять с порогом чувствителъности наименьшим значением измеряемой величины, вызывающим заметное изменение
показаний прибора.
Постоянная прибора – величина, обратная чувствительности. C 
1 x

S 
Численно равна измеряемой величине, соответствующей перемещению
указателя на одно деление шкалы прибора.
Функции СИ:
·воспроизводят величину заданного размера;
*гиря - заданную массу, магазин сопротивлений - ряд дискретных значений
сопротивления;
·вырабатывают сигнал (показание), несущий информацию о значении
измеряемой величины.
7
Показания СИ либо непосредственно воспринимаются органами чувств
человека (например, показания стрелочного или цифрового приборов), либо они
недоступны восприятию человеком и используются для преобразования другими
СИ.
3. Классификация средств измерений
Средства измерений
Элементарные
меры
устройства
сравнения
(компараторы)
Комплексные
измерит.
преобразователи
измерит.
приборы
измерит.
установки
измерит.
системы
ИВК
I. Элементарные средства измерений
1.Мера — это средство измерений (гири, линейка), предназначенное для
воспроизведения и хранения ФВ заданного размера (массы, длины).
С наиболее высокой точностью посредством мер воспроизводятся
основные физические величины: длина, масса, частота, напряжение и ток.
Меры бывают:
однозначные меры
многозначные меры
наборы мер
магазины мер
Однозначные меры - воспроизводят величины только одного размера.
*гиря 1 кг.
Многозначные меры -
воспроизводят несколько размеров физической
величины.
*миллиметровая линейка дает возможность выразить длину предмета в
сантиметрах и в миллиметрах.
Набор мер - представляет собой комплект однородных мер разного размера,
что дает возможность применять их в нужных сочетаниях.
*набор лабораторных гирь.
Магазин мер — сочетание мер, объединенных в одно целое, в котором с
помощью переключателей можно соединять составляющие его меры в нужном
сочетании.
8
*По такому принципу устроены магазины электрических сопротивлений.
2.Устройство сравнения (компаратор) — это средство измерений,
дающее возможность сравнивать друг с другом меры однородных величин
или же показания измерительных приборов.
*рычажные весы, на одну чашку которых устанавливается образцовая
гиря, а на другую — поверяемая.
где ВУ (вычитающее устройство) - формирует разность входных сигналов
(X1-X2),
УО (усилитель-ограничитель) - выполняет функции индикатора знака
Y  U пУО  1, если( X 1  X 2 )  0
Y  U пУО  0, если( X 1  X 2 )  0
разности: 
Т.е. выходной сигнал УО равен его положительному напряжению
питания (принимаемого за логическую единицу), если разность (X1-X2) >
0, и отрицательному напряжению питания (принимаемому за логический
нуль), если (X1-X2)<0.
3. Измерительный преобразователь - электроизмерительное средство для
выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи,
дальнейшего преобразования, обработки и сравнения, но не поддающейся
непосредственному восприятию наблюдателя.
В зависимости от вида измеряемых величин ИП делятся:
·преобразователи
электрических
величин
в
электрические
(шунты,
измерительные трансформаторы, измерительные усилители);
·преобразователи
неэлектрических
величин
в
электрические
(терморезисторы).
9
По характеру преобразования различают:
·аналоговые преобразователи - преобразуют одну аналоговую величину в
другую аналоговую величину (термопара);
·цифро-аналоговый преобразователь (ЦАИП) – преобразуют числовой код в
аналоговую величину;
·аналого-цифровой преобразователь (АЦИП) – преобразует аналоговый
измерительный сигнал в цифровой код;
·масштабные
преобразователи
–
изменяют
размер
величины
или
измерительного сигнала в заданное число раз;
·датчик – конструктивно обособленный первичный ИП, от которого
поступают сигналы измерительной информации.
По месту положения в измеряемой цепи ИП бывают:
·первичные – располагается первым в электрической цепи, на него
непосредственно воздействует измеряемая величина,
·промежуточные – располагается после первичного.
II. Комплексные средства измерений
1. Измерительные приборы - это средства измерений, которые позволяют
получать измерительную информацию в форме, удобной для восприятия
пользователем.
По назначению измерительные приборы делятся на амперметры,
вольтметры, омметры, термометры, гигрометры и т.д.
Обобщенная структурная схема измерительного прибора показана на рис.
Она состоит из устройства преобразования
и отсчетного устройства
(шкала+указатель-стрелка).
10
Классификация измерительных приборов:
Показывающие
аналоговые
цифровые
Регистрирующие
самопишу
щие
Суммирующие
Интегрирующие
Прямого
действия
Сравнения
печатные
Показывающие ИП – отсчитывают показания измеряемой величины. Это
наиболее распространённый вид приборов, на них мы остановимся позднее.
Регистрирующие (РИП) - регистрируют показания. Самопишущие РИП –
записывают показания в форме диаграммы; печатающие РИП – имеют
печатающее устройство для печати показаний в цифровой форме.
Суммирующие ИП – суммирует несколько величин, подводимых к нему по
различным каналам (ваттметр для измерения суммарной мощности нескольких
генераторов).
Интегрирующие ИП - значение измеряемой величины определяется путём её
интегрирования по другой (счётчик э.э.).
2.Измерительная установка - совокупность функционально объединенных
средств
измерений
(мер,
измерительных
приборов,
измерительных
преобразователей) и вспомогательных устройств, предназначенная для выработки
сигналов измерительной информации в форме, удобной для восприятия
наблюдателем, и расположенная в одном месте.
Классификация измерительных установок:
испытательный
стенд
поверочная
установка
эталонная
установка
измерительная
машина
Испытательный стенд – ИУ, предназначенная для испытания каких-либо
изделий.
Поверочная установка – ИУ, предназначенная для поверки СИ.
Эталонная установка – ИУ, входящая в состав эталона.
Измерительные машины - большие ИУ, используемые в машиностроении.
11
3.Измерительная
система
-
это
совокупность
функционально
объединенных средств измерений, вспомогательных устройств и средств
вычислительной техники(!), размещенных в разных точках контролируемого
пространства, с целью измерения нескольких ФВ, свойственных этому
пространству.
Примерами могут служить системы, развернутые на крупных предприятиях и
предназначенные для контроля технологического процесса производства какоголибо изделия, например, производства стали, электроэнергии и т.п.
В зависимости от назначения измерительные системы разделяют на:
измерительные
контролирующие
4.Измерительно-вычислительный
объединённая
управляющие.
комплекс
-
функционально
совокупность С.И., ЭВМ и вспомогательных устройств,
предназначенная для выполнения в составе информационно-измерительной
системы конкретной измерительной задачи.
12