Эталоны единиц физических величин. Образцовые средства

Измерений

Эталон единицы физической величины — средство измерений (или комплекс средств измерений), предназначенное для воспро­изведения и хранения единицы данной величины (в некоторых случаях только для воспроизведения или только для хранения еди­ницы). Назначение эталона единицы физической величины - пере­дача ее размера ниже стоящим по точности средствам измерений в общегосударственном или в международном масштабе.

Эталон единицы физической величины выполняется по особой спецификации и официально утверждается в установленном по­рядке. При конкретном применении термина слова «единицы физической величины» заменяют ее наименованием: эталон кило­грамма, эталон ампера и т.п. Опускать слова «единицы физиче­ской величины» или наименование единицы в целях сокращения следует очень осторожно.

В технике, науке и даже в художественной литературе слово «эталон» употребляется в более широком смысле. Под эталоном понимают образец наивысшего достижения в чем-либо, образец, по которому следует равняться. В метрологии и измерительной технике слово «эталон» следует применять только в том смысле, о котором сказано выше. Неправильно называть наиболее точные средства измерений, применяемые на предприятиях для поверок, эталонами, эталонными средствами измерений. Для них установ­лены и широко применяются наименования «образцовые средства измерений».

Сам по себе термин «образцовое средство измерений» допу­скает двоечтение. Он может быть ошибочно понят как лучшее средство измерений и на основании такого толкования может быть применен для измерений в то время, как основное правило мет­рологии говорит о том, что образцовые меры и образцовые изме­рительные приборы, предназначенные для поверки, недопустимо применять для измерений, так как это грозит нарушением един­ства мер и измерений [4].

 

Точность измерений

Термин «точность измерения» применяется очень широко, одна­ко пока нет общепринятого способа выражать точность измерения количественно. В ГОСТ 16263—70 сказано: «Количественно точ­ность может быть выражена обратной величиной модуля относительной погреш­ности. Например, если погрешность измерений равна 10^-2 % = 10^-4, то точность равна 10⁴. Такой способ количественного выражения точности был предложен давно, однако он широко не распространился.

Под точностью измерения понимают степень при­ближения результатов измерений к истинному значению измеряе­мой величины. Однако выражения вроде «точность измерения рав­на 0, 1 %» или «результат измерения верен с точностью до 0, 001» неправильны. Термин же «точность» применим лишь для сравнения результатов или относительной характеристики методов измерений, например, точность измерения длины с помощью микрометра больше, чем при измерении с помощью штангенциркуля.

 

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.

Выше было сказано, что на практике истинное значение изме­ряемой величины мы заменяем более близким к нему значением, более точным, чем полученное при измерении. Это значение, более близкое к истинному, мы называем «действительным» значением измеряемой величины.

Действительное значение изме­ряемой величины - это значение, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него. Оно не­обходимо нам для оценки погрешности измерения, определение которой приобретает теперь несколько другой характер.Погреш­ность результата измерения - это алгебраическая разность между полученным при измерении и действительным значением измеряе­мой величины. Это уже реальная величина, доступная для опреде­ления.

Погрешность результата измерения может быть выражена в единицах измеряемой величины или в долях (или в процентах) ее значения. Погрешности измерения, выраженные в долях или в про­центах от значения измеряемой величины, называют относитель­ными. В отличие от них погрешности, выраженные в единицах измеряемой величины, называют абсолютными.

 

Основные сведения об измерениях ([1], Глава 1)

 

Методы измерений.

Изложенный выше материал, связанный с видами измерений, позволяет сделать вывод о том, что прямые измерений, являясь самостоятельными и наиболее распространёнными, в то же время служат основой для более сложных видов измерений (косвенных, совокупных и совместных).

В связи с этим методы прямых измерений, рассматриваемых ниже, являются общими для всех видов измерений и в дальнейшем будут называться просто методами измерений.

С учётом того, что метод измерений представляет собой совокупность приёмов использования принципов и средств измерений: метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой (мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера).

Классификационным признаком в таком разделении методов измерений является наличие или отсутствие при измерениях меры.

Для удобства изложения в дальнейшем используется классификация методов измерений, приведенная на рис. 1.3.

Метод непосредственной оценки (отсчета) – метод измерений, в котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия (прибор прямого действия – измерительный прибор, в котором сигнал измерительной информации движется в одном направлении, а именно с входа на выход).

Метод сравнения с мерой – метод измерения, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Методы сравнения в зависимости от наличия или отсутствия при сравнении разности между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, подразделяют на нулевой и дифференциальный.

Нулевой метод – это метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля (прибор сравнения, или компаратор, - измерительный прибор, предназначенный для сравнения измеряемой вели чины с величиной, значение которой известно).

Дифференциальный метод – это метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор воздействует разность между измеряемой величиной и известной, воспроизводимой мерой.

Как в нулевом, так и в дифференциальном методе могут быть выделены методы противопоставления, замещения и совпадения.

Метод противопоставления – метод сравнения с мерой, в котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами.

Метод замещения – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой.

Метод совпадения – метод сравнения с мерой, в котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.

Для пояснения сущности приведенных определений обратимся к примерам реализации методов измерений.

Метод непосредственной оценки с отсчетом показаний по шкале прибора характеризуется тем, что лицу, осуществляющему измерение, не требуется каких-либо вычислений, кроме умножения показаний прибора на некоторую постоянную, соответствующую данному прибору. Примером данного метода измерений может служить взвешивание груза Х на пружинных весах (рис. 1.4). Масса груза здесь определяется на основе измерительного преобразования по значению d деформации пружины.

 

 

 

Процесс измерения по методу непосредственной оценки характеризуется быстротой, что делает его часто незаменимым для практического использования. Однако точность измерения обычно оказывается невысокой из-за воздействия влияющих величин и необходимости градуировки шкал приборов.

Для точности измерения по методу непосредственной оценки при выполнении некоторых измерений, в частности линейных, применяют метод отсчета по шкале и нониусу (см. рис. 1.3) или верньеру (вспомогательной шкале). Этот метод характеризуется использованием совпадения отметок шкал (основной и вспомогательной).

Нулевой метод измерения характеризуется равенством воздействий, оказываемых измеряемой величиной и мерой, на прибор, используемый для сравнения. В соответствии с классификацией (см. рис. 1.3) различают нулевые методы противопоставления, замещения и совпадения. Первые два из этих методов иногда называют соответственно методами полного противопоставления и полного замещения.

Примером нулевого метода противопоставления может служить взвешивание груза Х на равноплечих весах (рис. 1.5, а), когда масса груза определяется массой гирь, уравновешивающих воздействие груза на рычаг весов. Состояние равновесия определяется по положению указателя нуль-индикатора, который в этом случае должен находиться на нулевой отметке. Весы при таком измерении выполняют функцию компаратора. данный метод используется для измерения самых разнообразных физических величин и, как правило, обеспечивает большую точность измерения, чем метод непосредственной оценки, за счет уменьшения влияния на результат измерения погрешностей средства измерений, которое в данном случае осуществляет только сравнение воздействий, создаваемых измеряемой величиной и мерой.

Недостатком данного метода является необходимость иметь большое число мер различных значений для составления сочетаний, воспроизводящих величины, равные измеряемым, т. е. необходимость воспроизводить любое значение известной физической вели чины без существенного понижения точности. Как правило, это связано с существенными трудностями. Разновидностью рассмотренного метода является компенсационный метод измерений, применяемый в тех случаях, когда важно измерить физическую величину, не нарушая процесса, в котором она наблюдается. При подключении измерительного устройства, реализующего компенсационный метод, к объекту измерения на этом устройстве создается действие, направленное навстречу действию, создаваемому изучаемым явлениям. При этом создаваемое в измерительном устройстве явление изменяется до тех пор, пока не будет достигнута полная компенсация действия изучаемого явления на измерительное устройство. По размеру физической величины, создающей компенсирующее явление, судят о размере измеряемой физической величины. При условии полной компенсации изучаемое явление протекает в объекте так же, как оно протекает в случае, когда к объекту не подключено измерительное устройство.

Нулевой метод замещения состоит в том, что измеряемая физическая величина и мера последовательно воздействуют на измерительный прибор. При этом значение меры подбирают таким, чтобы ее воздействие на измерительный прибор было равно воздействию измеряемой физической величины. На рис. 1.5, 6 показан пример реализации метода полного замещения для случая измерения массы груза. Здесь на пружинные весы устанавливают груз Х и делают отметку А на шкале как результат его взвешивания. При этом показания пружинных весов принципиально можно и не считывать. Затем снимают груз и на чашку устанавливают такой набор гирь, который обеспечивает такую же деформацию пружины, как и груз Х, о чем судят по установке стрелки против отметки А.

Нулевой метод замещения применяется в тех случаях, когда производятся точные измерения параметров, так как он позволяет практически исключить влияние изменений характеристик используемого средства измерений (в рассмотренном случае – изменение характеристик пружины) на результат измерения.

Нулевой метод совпадения состоит в совпадении сигналов двух периодических процессов, характеристика одного из которых измеряется, а другого – используется в качестве меры.

Дифференциальный метод измерений характеризуется тем, что с помощью измерительного прибора методом непосредственной оценки измеряется разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой. Этот метод позволяет получить высокоточные результаты даже при использовании для измерения указанной разности относительно грубых средств измерений. Реализация дифференциального метода возможна только при условии наличия высокоточной меры, близкой по значению к измеряемой величине.

Исходя из классификации, приведенной на рис. 1.3, различают дифференциальные методы противопоставления, замещения и совпадения.

Первые два из них иногда называют методами неполного противопоставления и неполного замещения.

 

Примером метода неполного противопоставления может служить взвешивание на равноплечих весах, показанных на рис. 1.6, а. Здесь действие груза Х уравновешивается действием гири, служащей мерой, и силой упругой деформации пружины. По существу в данном случае по величине деформации пружины, значение которой может быть отсчитано по шкале, измеряется разность воздействий груза и гири на пружину. Так определяют разность их масс. Массу же груза определяют после взвешивания как сумму массы гири и показаний, считанных по шкале.

Сущность дифференциального метода замещения можно уяснить, рассмотрев пример (рис. 1.6, 6) взвешивания груза Х на пружинных весах в том случае, когда из имеющегося набора гирь не удается составить сочетание, позволяющее добиться такого показания весов, при котором стрелка установится на отметку А, соответствующую показанию весов при установке на них измеряемого груза Х. Предположим, что при установке на весы подобранного набора гирь стрелка весов устанавливается на отметке шкалы В. Когда к подобранному набору добавляются гири с наименьшей массой, стрелка устанавливается на отметке шкалы С. В данном случае замещение получается неполным. Для определения массы груза прибегают к интерполяции, с помощью которой по известному значению массы наименьшей гири и числу делений шкалы между отметками В и С рассчитывают значение массы груза и массы подобранного набора гирь, а затем определяют массу груза.

Сущность дифференциального метода совпадения состоит в том, что совпадение сигналов двух периодических процессов является неполным. При этом измеряется характеристика периодического процесса, представляющего собой результат взаимодействия на званных выше двух периодических процессов. Результат измерения определяется так же, как во всех дифференциальных методах.

 

 

Тема 3. Средства измерений. Оценка точности рабочих средств измерений (4 часа).

Классификация средств измерений. Статические и динамические характеристики средств измерений. Основные источники погрешностей. Классификация погрешностей средств измерений. Виды погрешностей. Нормируемые метрологические характеристики..

 

Средства измерений ([3], п.3)

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: