Лекция 12 : функциональные преобразователи

Цифровых приборов……………………………………………………………………

Лекция 13: примеры структур погрешностей и Классификация СРедств измерений…………………………………………

Вопросы для самопроверки………………………………………………………

СПИСОК литературы…………………………………………………………………..

 

ЛЕКЦИЯ 1: История, ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ

Из истории развития метрологии в России

Потреб­ность в измерениях у людей возникла с возникновением орудий про­изводства и необходимостью знания количественной оцен­ки материальных объектов. При этом вырабатывались определен­ные представления о размерах, формах, свойствах предметов и явлений, а также правила и способы их сопоставления.

В России в древности единицами длины были пядь, ло­коть. Локоть как единица измерения применялась в древ­ности во многих государствах (Вавилон, Египет). Естествен­но, размер локтя был различным.

Одной из основных мер длины в России долгое время была сажень (упоминается в летописях начала X в.). Размер ее также не был постоянен. Применялись простая сажень, косая сажень казенная сажень и др. При Петре I по его ука­зу русские меры длины были согласованы с английскими.

В 1835 г. Николай 1 в «Указе правительствующему Се­нату» утвердил сажень в качестве основной меры длины в России, а за основную единицу массы был принят образцо­вый фунт — кубический дюйм воды при температуре 13,3° по Реомюру в вакууме (фунт равнялся 409,51241 г). В России использовались также аршин (0,7112 м) и верста (в разные времена ее размер был различным).

Для поддержания единства установленных мер суще­ствовали эталонные (образцовые) меры, которые находи­лись в храмах и церквах.

В 1841 г. в соответствии с указом «О системе Российских мер и весов» при Петербургском монетном дворе было организовано Депо образцовых мер и весов — первое государственное пове­рочное учреждение. Основными задачами Депо являлись хранение эталонов, составление таблиц русских и иностран­ных мер, изготовление образцовых мер и рассылка последних в регионы страны. Поверка мер и весов на местах была вме­нена в обязанность городских дум, управ и казенных палат.

Важным этапом в развитии русской метрологии явилось подписание Россией метрической конвенции 20 мая   1875 г. В этом же году была создана Международная организация мер и весов (МОМВ). Место пребывания этой организации — Франция, г. Севр.

В 1893 г. в Петербурге на базе Депо образцовых мер и весов была образована Главная палата мер и весов, которую до 1907 г. возглавлял великий русский ученый Д.И. Менде­леев. В это время проводились глубокие метрологические исследования. В 1900 г. при Московском окружном пробир­ном управлении открылась Поверочная палатка торговых мер и весов.

В 1918 г. был принят декрет правительства Российской Федерации «О введении международной мет­рической системы мер и весов».

В 1930 г. произошло объединение метрологии и стандартизации. Была проведена большая работа по изуче­нию состояния метрологической деятельности. Был орга­низован ряд метрологических институтов.

В 1954 г. был образован Комитет стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР (Гос­стандарт СССР). После распада СССР управление метроло­гической службы России осуществляет Государственный комитет РФ по стандартизации, метрологии и сертифика­ции (Госстандарт России).

В отличие от зарубежных стран управление метрологи­ческой службой в РФ централизовано и осуществляется в рамках единой сферы управления, включающей и стандар­тизацию. Руководство метрологией и государственный мет­рологический надзор сохраняются в качестве важнейших функций государственного управления.

Основные Понятия и слагаемые метрологии

Метрология (от греч. «метро» — мера, «логос» — учение) — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности измерений.

Метрологию разделяют на три раздела: «Теоретическая метрология», «Приклад­ная (практическая) метрология» и «Законодательная метро­логия».

К ключевым понятиям законодательной метрологии относятся: измерение; физическая величина – ФВ; средство измерений - СИ; эталон и мера; рабочее и образцовое СИ (ОСИ); измерительный преобразователь и датчик; метод и алгоритм измерений; методика выполнения измерений — МВИ; метрологическая аттестация СИ — МА; поверка СИ; испытания СИ, метрологический надзор; сертификация СИ, государственная система обеспе­чения единства измерений – ГСИ  и др.

Измерение — это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Измерение физической величины (ФВ) включает совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу ФВ или воспроизводящего шкалу ФВ, заключающихся в сравнении измеряемой величины с ее единицей или шкалой с целью получения значения этой величины в форме, удобной для использования.

Найденные значения называют результатом измерений. Измерительная информация — информация о значениях измеряемых ФВ, может быть представлена в формах: аналоговой, цифровой или панорамной (в виде графиков). Сигнал измерительной информации — это сигнал, функционально связанный с измеряемой ФВ.

Предметом метрологии является извлечение количе­ственной информации о свойствах объектов и процессов, т. е. измерение свойств объектов и процессов с заданной точ­ностью и достоверностью.

Важнейшей задачей метрологии является обеспечение единства измерений, которая решается при соблюдении двух условий: выражение результатов измерений в узаконен­ных единицах и установлении допускаемых погрешностей результатов измерений и границ, за которые они не долж­ны выходить при заданной вероятности. Погрешности из­мерений указываются в паспорте, ТУ и иной нормативной документации, придаваемой средству измерения.

К основным слагаемым метрологии относят:

— общую теорию измерений;

— единицы физических величин и их системы;

— методы и средства измерений;

— методы определения точности измерений;

— основы обеспечения единства измерений;

— эталоны и образцовые средства измерений;

—методы передачи размеров единиц ФВ рабочим СИ от эталонов и ОСИ.

Объекты и ОБЛАСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

Объектом измерений являются физические величины.

Физической величиной называется одно из свойств физического объекта (явления, процесса), которое является общим в качественном отношении для многих физических объектов, отличаясь при этом количественным значением.

Качественная характеристика физической величины оп­ределяется тем, какое свойство материального объекта или какую особенность материального мира эта величина харак­теризует (твердость, надежность, прочность и т. п.). Для вы­ражения количественного содержания свойства конкретно­го объекта употребляется понятие «размер физической ве­личины», который устанавливается в процессе измерения.

Физические величины разделяют на измеряемые и оцени­ваемые. Измеряемые величины могут быть выражены коли­чественно в установленных единицах измерения. Величины, для которых не может быть введена единица измерения, от­носятся к оцениваемым. Оцениваемые величины произво­дятся при помощи установленной шкалы.

Существуют различные подходы к классификации физических величин, например, классифицируют по видам явлений:

- вещественные, описывающие физические и физико-химические свойства веществ, материалов и изделий из них;

- энергетические, описывающие энергетические ха­рактеристики процессов преобразования, передачи и использования энергии;

- физические величины, характеризующие протекание процессов во времени.

В последние десятилетия кроме физических величин в приклад­ной метрологии начали использоваться и гак называемые нефизичес­кие величины. Это связано с применением термина «измерение» в эко­номике, информатике, управлении качеством.

Область измерений — совокупность измерений ФВ, свойственных какой-либо области науки и техники и выделяющаяся своей спецификой. Вид измерений — часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин.

Принято различать следующие области и виды измерений:

1. Измерения геометрических величин: длин; отклонений формы поверхностей; параметров сложных поверхностей; углов.

2. Измерения механических величин: массы; силы; крутящих моментов, напряжений и деформаций; параметров движения; твердости.

3. Измерения параметров потока, расхода, уровня, объема веществ: массового и объемного расхода жидкостей в трубопроводах; расхода газов; вместимости; параметров открытых потоков; уровня жидкости.

4. Измерения, давлений, вакуумные измерения: избыточного давления; абсолютного давления; переменного давления; вакуума.

5. Физико-химические измерения: вязкости; плотности; содержаний (концентрации) компонентов в твердых, жидких и газообразных веществах; влажности газов, твердых веществ; электрохимические измерения.

6. Теплофизические и температурные измерения температуры у теплофизических величин.

7. Измерения времени и частоты: методы и средства воспроизведения и хранения единиц и шкал времени и частоты; измерения интервалов времени; измерения частоты периодических процессов; методы и средства передачи размеров единиц времени и частоты.

8. Измерения электрических и магнитных величин на постоянном и переменном токе: силы тока, количества электричества, электродвижущей силы, напряжения, мощности и энергии, угла сдвига фаз; электрического сопротивления, проводимости, емкости, индуктивности и добротности электрических цепей; параметров магнитных полей; магнитных характеристик материалов.

9. Радиоэлектронные измерения: интенсивности сигналов; параметров формы и спектра сигналов; параметров трактов с сосредоточенными и распределенными постоянными; свойств веществ и материалов радиотехническими методами; антенные.

10. Измерения акустических величин: акустические — в воздушной среде и в газах; акустические — в водной среде; акустические — в твердых телах; аудиометрия и измерения уровня шума.

11. Оптические и оптико-физические измерения: световые, измерения оптических свойств материалов в видимой области спектра; энергетических параметров некогерентного оптического излучения; энергетических параметров пространственного распределения энергии и мощности непрерывного и импульсного лазерного и квазимонохроматического излучения; спектральных, частотных характеристик, поляризации лазерного излучения; параметров оптических элементов, оптических характеристик материалов; характеристик фотоматериалов и оптической плотности.

12. Измерения ионизирующих излучений и ядерных констант: дозиметрических характеристик ионизирующих излучений; спектральных характеристик ионизирующих излучений; активности радионуклидов; радиометрических характеристик ионизирующих излучений.

Способы И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

По способу получения результата различают:

Прямое измерение - это измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных с учетом цены деления отсчетного устройства. Пример: измерение напряжения вольтметром как произведение известной цены деления С на отсчет по шкале X (Y=CX).

Косвенное измерение - это измерение, при котором искомое значение
величины (Y) находят на основании известной зависимости между величинами, получаемыми в результате прямых измерений Y=F(X1, X2, ХЗ,...,Х4). Примеры: измерение мощности по прямым измерениям тока и напряжения P=UI; измерение коэффициента передачи усилителя К = 201g(U_bыx/U_bx).

Совокупные измерения - это производимые одновременно прямые измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения находят решением системы уравнений. Например: нахождение сопротивлений отдельных резисторов по известному одному из них и по результатам прямых

сравнений сопротивлений различных сочетаний резисторов.

Совместное измерение - это измерения разноименных величин для нахождения функциональных зависимостей между ними. Например: определение температурного коэффициента сопротивления резистора по данным прямых измерений его сопротивления при различных температурах.

Контроль — это испытание, в процессе которого определяется находится ли значение измеряемой величины в установленных для нее пределах. Результатом контроля является информация в виде "Годен" - "Не годен". Контроль бывает поэлементный и комплексный (изделия в целом). Активный контроль предполагает воздействие на технологический процесс в ходе изготовления. Пассивный контроль только констатирует факт годности или брака изделия.

Принцип измерения — совокупность физических явлений, на которых основаны измерения (на основе взаимодействия электрических зарядов, на эффекте Холла).

Алгоритм измерения — точная последовательность операций, обеспечивающая измерение физической величины.

Метод измерений — это совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Под методом измерений понимают прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей (или шкалой) в соответствии с реализованным принципом измерений.

Методика измерений — детально намеченный распорядок измерений, регламентирующие методы, средства, алгоритмы, а так же способы обработки результатов. Методика должна включать:

а) общие указания;

б) методы и виды СИ, порядок подготовки и проведения измерений;

в) методика обработки результатов.

Различают следующие варианты методов измерения:

Метод непосредственной оценки, в котором значение измеряемой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству многозначной меры, на которую непосредственно действует сигнал измерительной информации, например, измерение электрического напряжения электромеханическим вольтметром. В этом случае сигнал с помощью электромагнитной системы воздействует на заранее проградуированную многозначную меру — спиральную пружинку,  поворачивающую рамку, а стрелка вольтметра индицирует угол закручивания пружинки. Если применяется цифровой вольтметр, мерой может служить, например, стабилитрон с делителем напряжения.

Метод противопоставления, в котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействует на прибор сравнения (компаратор), с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами, например, измерение массы на равноплечих весах.

Дифференциальный метод, в котором на прибор сравнения воздействует разность измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой, например, сравнение меры длины с образцовой на компараторе.

Нулевой метод, в котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения равен нулю.

Метод замещения, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой.

Метод совпадений, в котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения меток шкал или периодических сигналов, например, измерение частоты вращения стробоскопом.