I Введение в метрологию

1 Основные понятия

Метрология – наука о методах и средствах измерения. Способ извлечения их единства и требуемой точности.

Делится:

а) Фундаментальная – занимается разработкой систем единиц, эталонов и образцовых мер.

б) Прикладная – разрабатывает метрологическое обеспечение проектируемых разработок, научных исследований и производственных процессов.

Под метрологическим обеспечением понимается совокупность правил, норм и технических средств, необходимых для обеспечения единства, надежности и требуемой точности измерения. Под единством измерений понимается такое их состояние, при котором все результаты выражены в указанных единицах в пределах допускаемой погрешности.

2 Основные термины и определения

1. Измерение – процесс нахождения значения физической величины с помощью специальных технических средств. В результате измерения мы получаем количественную оценку (значение) некоторой физической величины (параметра).

2. Измерительный контроль – (отличается от измерения по конечной цели процедуры) если при измерении нас интересует параметр, конкретное значение, то при этом нас не интересует параметр, а интересует, соответствует он некоторой норме или нет.

3. Физическая величина – свойство объекта измерения, которое в качественном отношении присуще многим физическим объектам, а в количественном отношении индивидуально для каждого из них.

4. Значение физической величины – это оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц.

5. Истинное значение измеряемой величины – это такое значение, которое идеальным образом, т.е. без погрешности, отображает соответствие свойства измеряемого объекта, как в качественном, так и в количественном отношении, но, т.к. измерение без погрешностей невозможно, то истинное значение нам остается неизвестным.

На практике вместо истинного значения пользуются действительным значением измеряемой величины – под ним понимается значение найденное либо расчетным, либо экспериментальным путем и настолько приближенное к истинному значению, что для определенных целей его можно использовать вместо истинного значения.

Измерение погрешности вольтметра:

6. Понятие средства измерений – это технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные технические характеристики.

7. Погрешность измерений – это разность между результатом измерения и истинным или действительным значением измеряемой величины.

8. Погрешность измеряемого прибора – разность между показаниями прибора и истинным (действительным) значением измеряемой величины.

Погрешность измерения всегда несколько больше погрешности измеряемого прибора на величину методической погрешности.

3 Виды измерений

Измерения можно классифицировать по ряду признаков:

3.1 По физическому признаку, положенному в основу измерения

а) Механические

б) Электрические

в) Оптические

г) Оптоэлектронные

3.2 По способу нахождения искомого значения измеренной величины

а) Прямые – при которых искомое значение измеренной величины находится непосредственно из опытных данных (напряжение – вольтметр, ток - амперметр).

б) Косвенные – при которых искомое значение измеряемой величины находится на основе известной математической зависимости между величинами аргументами - значения которых находят в результате прямых измерений.

Например: ; ;

Погрешность косвенного измерения является функцией от погрешности измерений отдельных аргументов. Вид этой функциональной зависимости определяет степень влияния погрешности измерения аргументов на результирующую погрешность.

в) Совместные и совокупные измерения - близки по способу нахождения измеряемых величин, в обоих случаях они находятся при решении системы уравнений, в которых коэффициенты или отдельные члены находят в результате прямых или косвенных измерений. Отличие состоит в том, что при совокупных измеряются различные по природе величины, а при совместных одинаковые по природе.

Пример:

на частоте

на частоте

при сводится к косвенным измерениям.

Примером совместных может служить измерение взаимной индуктивности между двумя катушками, при этом они сначала включаются:

а) последовательно согласованно

и

б) последовательно встречно

получим:

3.3 По характеру поведения измеряемой величины во времени

а) Статические - измеряемая величина зависит от времени.

б) Динамические - измеряемая величина от времени не зависит.

3.4 По условиям наблюдения

а) Обыкновенные - однократные.

б) Статистические - многократные.

3.5 По точности наблюдаемых результатов

а) Максимально возможной точности.

б) Контрольно - поверочные измерения.

в) Технические измерения, при которых погрешность определяется погрешностью прибора.

4 Методы измерений. Виды методов измерений

Методы измерений - совокупность приемов использования физических принципов и средств измерений.

Существует 2 метода измерений:

1. Метод непосредственной оценки.

2. Метод сравнения с мерой.

При методе непосредственной оценки искомое значение измеряемой величины определяется непосредственно по отсчету измеряемого прибора, которое заранее отградуировано в единицах измеряемой величины.

Типичный пример - стрелочный прибор.

Особенность заключается в том, что эталонная величина используется при разработке и градуировке шкалы прибора и косвенно присутствует в делении шкалы прибора. Непосредственного участия эталон не принимает.

За счет этого метод обладает простотой, но не достаточно высокой точностью.

При методе сравнения с мерой эталонная величина используется в процессе каждого измерения, что позволяет повысить точность. Метод сравнения имеет несколько разновидностей:

а) Дифференциальный метод.

б) Нулевой метод.

в) Метод совпадений.

г) Метод замещения.

а) Дифференциальный метод измеряет не величину , а разность между и . Это позволяет повысить точность.

Пример: Пусть

Лекция № 2 - 17.02.04

б) Нулевой метод измерения - метод, при котором разность между образцом и измеряемой величиной доводят до нуля за счет регулировки . Момент равенства нулю разности фиксируют с помощью 0-индикатора (ноль-индикатор).

Ноль - индикатор - устройство предназначенное для регистрации факта отсутствия или наличия сигнала в цепи.

В момент, когда , и результат измерения считывают со шкалы источника эталонного сигнала. Погрешность метода обусловлена погрешностью градуировки шкалы, а также параметрами не идеальности вычислительного устройства и ноль - индикатора.

в) Метод совпадения - (интерполяционный или нониусный метод).

Основан на выделении моментов совпадений 2-х периодических пространственных или временных шкал, период которых отличается на заданную величину. Пример метода совпадений - штангенциркуль (2 - шкалы, одна совпадает с другой).

г) Метод замещения.

Основан на замещении измеряемой величины равной ей по значению эталонной величины. Метод обладает очень высокой точностью.

Сущность метода приведена в следующем примере:

Пусть необходимо померить сопротивление . Собираем цепь следующего вида:

Вначале ключ находится в положении 1 и измеряется ток через резистор . Далее переводим ключ в положение 2 и измеряем ток через магазин сопротивлений.

При мы найдем , т.е. меняем сопротивление магазина. Результат считывается со шкалы .

Рассмотренные методы сравнения могут быть достаточно легко автоматизированы при создании измерительных приборов.