Основы измерительной техники

1 Основы метрологии: основные понятия и определения, виды и методы измерений, погрешности измерений, измерительных приборов

2 Системы и средства измерений

1 Основы метрологии: основные понятия и определения, виды и методы измерений, погрешности измерений, измерительных приборов

Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точ­ности.

Метрология определяет измерение как нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Измерить какую-либо физическую вели­чину — значит сравнить ее с другой однородной величиной (ме­рой), принятой за единицу измерения.

Измерения могут быть прямыми и косвенными.

Прямыми измерениями называются такие, при которых зна­чение измеряемой величины определяется непосредственно из опытных данных (измерение температуры термометром, измерение длины с помощью линейки и т. п.).

Косвенными измеренияминазываются такие измерения, при которых изме­ряемая величина определяется на основании известной зависи­мости между этой величиной и величинами, подвергаемыми пря­мым измерениям. Примеры косвенного измерения: определение плотности однородного тела по его массе и геометрическим раз­мерам; величины удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения и т. п. Косвенные измерения широко применяются при контроле производственных процессов, когда прямые измерения невозможны.

Измерение любой физической величины требует прежде всего установления единиц измерения. Такие единицы устанавливаются государственными стандартами.

Применение этих единиц является обязательным и подлежит государственному контролю.

Единицы физических величин делятся на основные, производ­ные, когерентные, кратные и дольные.

Основные единицы устанавливаются произвольно, независимо от других единиц. К числу основных единиц относятся, например, метр, секунда, ампер и т. п. Главное условие выбора основных единиц—возможность точного их воспроизведения. Производная единица — единица производной физической ве­личины, образуемая по определяющему эту единицу уравнению из других единиц данной системы единиц. Например, 1 м/с — единица скорости системы СИ. Когерентная единица — производная единица, связанная с другими единицами системы уравнением, в котором числовой коэффициент принят равным единице. Кратные единицы равны целому числу основных или произ­водных единиц; дольные единицы составляют определенную долю основной или производной единицы. Кратные и дольные единицы обра­зуются путем умножения или деления основной или производной единицы на определенную степень числа 10. При этом к наимено­ванию основной или производной единицы прибавляется соответ­ствующая приставка. Совокупность основных и производных единиц, охватывающая все или только некоторые области измерения (механические, электрические и другие измерения), называется системой единиц физических величин.

В октябре 1960 г. XI Генеральной конференцией по мерам и весам принята Международная система единиц (СИ).

Эта си­стема единиц является единой универсальной системой, охваты­вающей все отрасли науки, техники и народного хозяйства; этой системой воедино связаны механические, тепловые, электри­ческие, магнитные и другие величины.

Таблица 1 - Основные единицы системы СИ

Таблица 2 - Производные единицы системы СИ

Таблица 3 - Кратные и дольные единицы

Качество измерений, а так же передача информации характеризуется размером допущенных погрешностей.

Погрешность – оценка отклонения результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

В практике измерений принято выделять абсолютную и относительную погрешность.

Абсолютная погрешность измерения Δx равна разности между результатом измерения х_и и истинным значением измеряемой величины х:

Δx =x_и-x

Относительная погрешность измерения δпредставляет собой отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины:

В измерительной технике используется также понятие приведенной погрешности:

,

где х_к – постоянная величина разности конечных значений пределов измерения.

Важной характеристикой измерительных приборов систем автоматики является класс точности. Класс точности определяется на основании приведенной погрешности. Класс точности средств измерений - обобщенная характеристика, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами средств измерения. Классы точности измерительных приборов устанавливаются ГОСТом и указываются на их шкалах цифрами в кружочек. У приборов с определенным классом точности основная приведенная погрешность в рабочем диапазоне шкалы в процентах не должна превышать значения, соответствующего классу точности, выбранному из ряда чисел {1*10ⁿ; 1,5*10ⁿ; 2*10ⁿ;2,5*10ⁿ; 4*10ⁿ; 5*10ⁿ;6*10ⁿ; здесь n=1;0;-1;-2;-3; …}. Класс точности средств измерений характе­ризует их точностные свойства, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью этих средств. Например, класс точности вольтметра характеризует пределы допускаемой основной погрешности и допускаемых изме­нений показаний, вызываемых внешним магнитным полем и откло­нением от нормальных значений температуры, частоты перемен­ного тока и некоторых других влияющих факторов.

Вариацией называется наибольшая полученная эксперимен­тально разность между показаниями измерительного прибора, соответствующими одному и тому же действительному значению измеряемой величины при одинаковых условиях измерения. Вариации вызываются трением в механизме прибора, зазорами (люфтами) в кинематических парах, гистерезисом, упругим после­действием чувствительных элементов прибора и т. п. Вариация технических измерительных приборов определяется как наибольшая разность показаний прибора при поверке, полу­ченная при прямом и обратном ходе, при одном и том же действи­тельном значении измеряемой величины.

Вариации выражаются в процентах от максимального значе­ния шкалы прибора и должны быть меньше основной погрешности прибора:

где DN —максимальная разность показаний прибора;

Nmах и Nmin — соответственно верхнее и нижнее предельные значения шкалы прибора.

Результаты измерения можно использовать лишь в том случае, когда известна погрешность или степень достоверности этого измерения. Следует помнить, что никакое измерение не может быть выполнено абсолютно точно; его результат всегда содержит некоторую ошибку. В задачу измерений входит не только измерение контролируемой величины, но и оценка допущенной при измерении погрешности.