Классификация средств измерений

ВВЕДЕНИЕ

Научно-технический прогресс во многом определяется объемом и качеством измерительной информации, получаемой с помощью самых разнообразных средств измерительной техники. Измерения являются одним из основных путей познания природы, они служат для учета материальных ресурсов, контроля качества продукции, совершенствования технологий, автоматизации производств, охраны здоровья и природной среды, обеспечения безопасности труда и для многих других областей деятельности человека.

Совокупность технических средств, служащих для выполнения измерений, методов и приемов проведения измерений и интерпретации их результатов, принято определять понятием измерительная техника.

Наука об измерениях - метрология - является теоретической основой измерительной техники.

Повышение роли измерений в научно-техническом прогрессе обусловило тот факт, что в настоящее время курс метрологии включен в учебные планы большинства специальностей высших технических учебных заведений.

В данном практикуме обобщен опыт проведения практических занятий по метрологии, накопленный кафедрой " Автоматизация технологических процессов" Тверского государственного технического университета.

Отличительной особенностью данного практикума является то, что практические занятия по метрологии при его использовании проводятся в форме лабораторных работ. Это позволяет поставить студента в условия реального измерительного эксперимента, т. е. предоставить ему возможность самостоятельно выполнять измерения, получать и обрабатывать экспериментальные данные, а не ограничиваться только обработкой исходных данных, предоставляемых обычно преподавателем при проведении практических занятий.

Практикум содержит семь лабораторных работ и некоторые теоретические материалы, включающие сведения об основных терминах метрологии, измерительных приборах и концепции проведения измерительного эксперимента.

Рекомендации:

1. Перед выполнением лабораторных работ необходимо освоить понятия метрологии, изложенные в разделе 1.

2. В отчет по лабораторной работе следует включать: краткое изложение теоретических основ лабораторной работы, схему и описание лабораторного стенда, краткое изложение порядка выполнения лабораторной работы, экспериментальные данные и результаты их обработки (в виде таблиц или графиков).

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МЕТРОЛОГИИ

Метрология (от греч. metro - " мерить" и logos - " учение", " понятие" ) - это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Под единством измерений понимают такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставить результаты измерений, выполненных в различных местах, в различное время и с помощью различных устройств.

Важным понятием в метрологии является физическая величина.

Физической величиной называют свойство, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта. Под физическим объектом при этом понимают физические системы, их состояние, происходящие в них процессы, а также объекты химии и других наук, в которых используют физические методы.

Физическую величину, которая выбрана для измерения, называют измеряемой физической величиной.

Размер физической величины - это количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию " физическая величина".

Измерение - нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Процесс измерения заключается в сравнении измеряемой физической величины с одноименной ей величиной, принятой за единицу.

Средство измерений - техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики.

Результат измерения - это значение физической величины, найденное опытным путем.

Значение физической величины представляет собой количественную оценку этой величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц.

В практике измерений различают истинное и действительное значения физической величины.

Истинное значение физической величины - значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Истинное значение всегда остается неизвестным, а совершенствование измерений позволяет приблизиться к истинному значению физической величины.

Действительное значение физической величины - значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.

При проведении измерений получают информацию о значении измеряемой физической величины. Такая информация представляется средством измерений в виде некоторого сигнала и называется измерительной информацией.

Под сигналом понимают физический процесс, характеризующийся рядом параметров.

Сигналом измерительной информации называется сигнал, функционально связанный с измеряемой физической величиной.

В процессе измерений на объект измерений, средство измерений и оператора воздействуют различные внешние факоры - влияющие физические величины.

Влияющая физическая величина - это физическая величина, не являющаяся измеряемой данным средством измерений, но оказывающая влияние на результат измерения этим средством.

Для измерений принято выделять следующие основные характеристики: принцип измерений, метод измерений и погрешность измерений.

Принцип измерений - совокупность физических явлений, на которых основано измерение.

Метод измерений - совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

Погрешность измерения - отклонение результата измерения X от истинного значения X_и измеряемой величины:

Δ = X - X_и.

(1.1)

Погрешность измерения может быть вызвана действием влияющих физических величин, несовершенством изготовления средства измерений, недостаточной изученностью физического явления, положенного в основу измерений, субъективной ошибкой оператора, осуществляющего измерения, и рядом других факторов.

Погрешность, определяемая по формуле (1.1), выражается в единицах измеряемой физической величины и называется абсолютной погрешностью измерения.

Относительная погрешность измерения - отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой физической величины, выраженное в процентах:

d =

× 100.

(1.2)

При определении абсолютной и относительной погрешностей измерения вместо истинного значения физической величины X_и реально используют ее действительное значение X_д.

Погрешности измерений принято выражать суммой двух составляющих, называемых случайной Y и систематической q погрешностями измерений:

D = Y + q.

(1.3)

Случайная погрешность измерения - составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины.

Систематическая погрешность измерения - составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины.

СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

Т а б л и ц а 2.1

Результаты исследований статической характеристики измерительного преобразователя

Значение входного сигнала, X, мм	Значение выходного сигнала, опре-деленное по номи-нальной функции преобразования, Y_н=f_н(X), мВ	Значение выходного сигнала, Y_р=f_р(X), мВ	Абсолютная погрешностьD, мВ	Вариа-ция, W, мВ
Пря-мой ход	Обрат- ный ход		Пря- мой ход	Об- рат- ный ход	Пря- мой ход	Об- рат- ный ход
. .	. .

Таблица 2.2

Типичные дифференциальные уравнения и передаточные функции измерительных устройств

Кривая переходного процесса	Дифференциальное уравнение	Передаточная функция
Рис.1.б	Y(t) = KX(t)	К
Рис.1.в	T+ Y(t) = KX(t)
Рис.1.г	T₂²₊T₁+ Y(t) = KX(t)
Рис.1.д	T+ Y(t) = KX(t - t_з)	e ^-^t^зp
Рис.1.е	T₂²₊T₁+ Y(t) = =KX(t - t_з)	e ^-^t^зp

О п и с а н и е л а б о р а т о р н о г о с т е н д а

Лабораторный стенд (рис.2.6) содержит подставку 1 с емкостями 2 и 3 для горячей и холодной воды, термоэлекрический преобразователь (ТЭП) 4 и автоматический самопишущий потенциометр 5.

Емкости 2 и 3 снабжены стеклянными термометрами 6 и 7, а емкость 2 снабжена еще электронагревателем, который располагается в ее внутренней полости, и мешалкой 8. Нагреватель может подключаться к сети электропитания с помощью вилки 9 и розетки 10. ТЭП закреплен в патроне 11, который можно устанавливать в емкостях 2 и 3, и тем самым размещать ТЭП в горячей или холодной воде. С помощью вилки 12 стенд подключается к электросети.

Работа ТЭП базируется на термоэлектрическом эффекте, в соответствии с которым при нагревании спая двух разнородных поводников на свободных концах этих проводников возникает ЭДС. Автоматический потенциометр измеряет эту ЭДС и регистрирует ее мгновенное значение на диаграмме.

П о р я д о к в ы п о л н е н и я р а б о т ы

Сущность экспериментального исследования работы ТЭП состоит в определении кривой разгона, которую получают путем скачкообразного изменения температуры ТЭП, а именно, путем размещения этого преобразователя последовательно в емкость с холодной, горячей и опять холодной водой. Это позволяет получить кривые разгона как при увеличении, так и при уменьшении измеряемого параметра.

1. С помощью вилки 12 подключить стенд к электросети.

2. С помощью тумблера включить потенциометр 5.

3. Патрон 11 с ТЭП 4 установить в емкость 3 с холодной водой.

4. Включить вилку 9 в розетку 10. При этом к нагревателю емкости 3 начинает поступать электроэнергия.

5. Когда температура нагреваемой воды достигнет значения 50-60 °С, отключить нагреватель, вынув вилку 9 из розетки 10.

6. С помощью механической мешалки 8 размешать горячую воду.

7. С помощью термометров 6 и 7 измерить температуру горячей и холодной воды и записать значения этих температур в таблицу 2.3.

8. Включить привод диаграммной ленты потенциометра.

9. Наблюдать за движением диаграммной ленты. В момент, когда под пером потенциометра окажется жирная горизонтальная линия диаграммы, вынуть из емкости 3 патрон 11 с ТЭП 4 и поместить его в емкость 2 с горячей водой. На диаграмме потенциометра при этом регистрируется кривая разгона.

10. Когда значение сигнала, регистрируемого на диаграмме потенциометра, достигнет установившегося значения, дождаться момента прохождения под пером потенциометра жирной горизонтальной линии диаграммы и перенести патрон 11 с ТЭП 4 в емкость 3 с холодной водой. При этом на диаграмме будет регистрироваться кривая разгона, соответствующая скачкообразному уменьшению значения измеряемой величины.

11. Дождаться установления постоянного значения сигнала, регистрируемого потенциометром, и выключить привод диаграммной ленты.

12. Операции по п.п. 4-11 повторить при значениях температур горячей воды (75-80)°С и (90-95)°С.

13. Выключить питание потенциометра и отключить вилку 12 от электросети.

14. Вырезать отрезок диаграммной ленты с результатами экспериментов.

15. По кривым разгона и записям значений температур горячей и холодной воды с учетом диапазона измерений (в мВ) и скорости диаграммной ленты (в мм/с) потенциометра определить передаточные функции ТЭП для случаев скачкообразного изменения температуры. Для получения передаточных функций принять, что ТЭП представляет собой последовательное соединение звена чистого запаздывания и инерционного звена первого порядка. Результаты расчетов занести в таблицу 2.3.

Таблица 2.3

Значения температур, °С	К, мВ/°С	Т, с	t_з, с
горя-чей во-ды, t_г	холод- ной во- ды, t_х	раз-ность темпе-ратур, D=t_г-t_х	при уве- личе-нии тем-пера-туры	при умень- шении темпе- ратуры	при уве- личе-нии тем-пера-туры	при умень- шении темпе- ратуры	при уве- личе-нии тем-пера-туры	при умень- шении темпе- ратуры

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

Приложение

Коэффициенты распределения Стъюдента

k=n-1	Вероятность
0.5	0.9	0.95	0.99
	1.00	6.31	12.70	63.70
	0.82	2.92	4.30	9.92
	0.77	2.35	3.18	5.84
	0.74	2.13	2.78	4.60
	0.73	2.02	2.57	4.03
	0.72	1.94	2.45	3.71
	0.71	1.90	2.37	3.50
	0.71	1.86	2.31	3.36
	0.70	1.83	2.26	3.25
	0.70	1.80	2.20	3.10
	0.69	1.77	2.16	3.01
	0.69	1.75	2.13	2.95
	0.69	1.74	2.11	2.90
	0.69	1.73	2.09	2.86

[1] Основная погрешность средства измерений - это погрешность при использовании его в нормальных условиях. Нормальными условиями применения средства измерений называют условия, при которых влияющие величины имеют номинальные значения или находятся в пределах нормальной области значений (см. стр.33).

[2]Дополнительная погрешность средства измерений - это изменение его погрешности, вызванное отклонением одной из влияющих величин от ее нормированного значения или выходом ее за пределы нормальной области значений (см. стр. 33-34).