Общие сведения об измерениях и приборах для измерений

 

Измерение – это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Различают следующие основные виды измерений: прямые, косвенные, совокупные и совместные. В практике испытаний ГТД находят применение прямые и косвенные измерения. Совокупные и совместные измерения применяются, как правило, в лабораторных метрологических исследованиях.

Прямыми измерениями называют такие, результат которых получается непосредственно с помощью прибора. Прямые измерения могут быть проведены различными методами. Наиболее часто встречаются на практике метод непосредственной оценки, дифференциальный метод и метод совпадений.

Метод непосредственной оценки: измеряемая величина определяется непосредственно измерительным прибором (измерение длины линейкой, температуры – термометром, давления – манометром и др.).

Дифференциальный метод – это метод определения разности между измеряемой величиной и величиной известной (измерение давления дифманометром). Частным случаем является нулевой метод, когда разность сравниваемых величин рана нулю (измерение массы весами).

Метод совпадений основан на совпадении равномерно чередующихся отметок или сигналов измеряемой величины с известным рядом отметок или сигналов (нониус, стробоскоп и др.).

Косвенное измерение – результат решения уравнения, в которое входят параметры определенные с помощью прямых измерений.

Например, определение расхода жидкости и газа в дроссельных приборах по известным площадям, плотности и перепаду давления; скорости потока по измеренным статическому, полному давлению и температуре и т.п.

Погрешности измерений. На практике все измерения выполняются с определенной степенью приближения. Это связано с тем, что измерительный прибор является техническим средством и как всякое техническое средство допускает определенную неточность в работе то есть определенную неточность измерения.

Погрешность измерения – это степень приближения измеряемой величины к ее истинному значению. Погрешности измерений делят на три класса: случайные, систематические и грубые.

Случайными погрешностями измерения называют такие, которые изменяются случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Эти погрешности не могут быть исключены опытным путем, но их влияние на результаты может быть уменьшено многократным повторением измерений и применением в обработке результатов этих измерений теории вероятностей и методов статистики.

Систематическими погрешностями измерения называют такие, значение которых в данном ряде измерений остается постоянным или

закономерно изменяется. Причинами их появления могут быть: смещение стрелки или шкалы относительно номинального положения, неточная регулировка прибора, постоянно повторяющееся неправильное положение наблюдателя относительно прибора и др. Влияние систематических погрешностей на результат измерения учитывается тарировкой аппаратуры.

Грубые погрешности – ошибки экспериментатора, неисправность измерительной аппаратуры – явно искажающие результаты измерений, при обработке полученных опытных данных их во внимание не принимают.

Количественно погрешность оценивается разностью между измеренным «Хизм» и истинным значениями измеряемой величины

 

Истинное значение измеряемой величины обычно неизвестно из-за отсутствия идеальных методов измерения. Поэтому на практике вместо истинного значения измеряемой величины пользуются действительным ее значением, полученным с помощью более точных средств измерения.

Часто для оценки точности измерений пользуются безразмерной величиной – относительной погрешностью – это отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины

 

или 100 %

 

Погрешности прямых измерений на практике определяются с помощью класса точности измерительного прибора.

Класс точности прибора – это обобщенная характеристика средств измерения, численно равная наибольшей относительной погрешности прибора, выраженной в процентах

 

Кл.точн. = 100

 

где  – диапазон измерения.

         Зная класс точности измерительного прибора и его диапазон измерения (максимальную величину измерения), можно вычислить абсолютную и относительную погрешности измерения.

Пример. Тахометр с диапазоном измерения 0…10000 об/мин показывает n = 3000 об/мин. Класс точности измерительного прибора 0,5. Вычислить абсолютную и относительную погрешности измерения.

Решение. Абсолютная погрешность измерения определяется по классу точности и пределу измерения

 

n =  =  = 50 об/мин

Относительная погрешность = 0,0167 = 1,67%

Погрешности косвенных измерений обычно определяются с помощью двух простых правил:

1. Предельная абсолютная погрешность суммы (разности) равна сумме абсолютных погрешностей слагаемых, то есть если

то           .

 

2. Предельная относительная погрешность произведения (частного) равна сумме относительных погрешностей сомножителей, то есть если

 

,

то         .

 

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЙ

 

При изучении движения жидкости и газа различают понятия статического и полного давлений. Статическое давление в невозмущенном потоке можно определить как давление, которое действовало бы на стенку тела, движущегося вместе с потоком, или стенку, расположенную параллельно движению потока. Полным давлением называется давление заторможенного без потерь потока. Исходя из этого, строятся методы определения указанных параметров.

 

Измерение полного давления

Если в движущийся поток поместить тело (например цилиндр), то оно будет оказывать тормозящее воздействие на окружающий поток, в результате чего на поверхности тела установится определенное распределение давления. В центральной точке носка, расположенной на оси тела (критическая точка), поток тормозится полностью и его скорость равно нулю. Если в месте расположения критической  точки выполнить отверстие и соединить его импульсной трассой с манометром, то прибор покажет величину полного давления. Таким образом мы получим простейший цилиндрический приемник полного давления. Такой приемник, несмотря на свою простоту, имеет достаточно хорошую точностную характеристику (погрешность измерения давления составляет менее 1%).

Недостатком цилиндрического приемника является его высокая чувствительность к скосу потока (не более ). Это объясняется тем, что если поток набегает под некоторым углом к оси приемника, то критическая точка перемещается на другое место и манометр, соединенный с отверстием на оси приемника, уже показывает меньшее давление. С целью устранения недостатка обычно меняют форму головки приемника, а именно – выполняют раззенковку приемного отверстия, применяют двойную трубку (формируют камеру торможения) и т.п.

В двигателях, чтобы не загромождать проточную часть, приемники полного давления обычно размещают внутри обтекаемых тел (например внутри сопловых или спрямляющих аппаратов, стоек и т.п.).

При измерениях в сверхзвуковом потоке перед приемником полного давления возникает ударная волна (скачок). В этом случае измеряемое полное давление из-за потерь в ударной волне будет меньше полного давления в невозмущенном потоке, что необходимо учитывать при обработке результатов измерений. Отношение полных давлений за скачком и перед ним определяется по формуле Рэлея:

 

,

  где – отношение удельных теплоемкостей газа при постоянном давлении и при постоянном объеме;

      – полное давление перед скачком;

     – полное давление за скачком.

Форма и геометрические размеры насадка приемника для измерения полного давления определяются в зависимости конкретных условий применения.