гдеRa- сопротивление прибора; Rp - регулировочный резистор. 1 страница

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

ПРИБОРЫ УЧЁТА И КОНТРОЛЯ

ЛЕКЦИЯ №1

ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ КУРСА

1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Измерения, испытания и контроль являются основными методами подтверждения соответствия продукции требуемому качеству. Особенности их применения определяются задачами, которые решает испытательная лаборатория при сертификации.

Цель курса «Приборы учёта и контроля» заключается в формировании у студентов знаний и умений, необходимых для выбора, создания, внедрения и эксплуатации современных испытательных стендов, измерительных установок и систем, используемых при оценке соответствия продукции.

Рассмотрим основные понятия курса.

Физическая величина (ФВ) - одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них (например, длина, масса, время, сила тока и т.д.). Физической величиной может быть характеристика продукции, подлежащая определению при оценке соответствия. Термин «величина» обычно применяется в отношении тех свойств или характеристик, которые могут быть оценены количественно, т.е. могут быть измерены. Существуют такие свойства или характеристики, которые современный уровень науки и техники ещё не позволяет оценивать количественно, например, запах, вкус, цвет. Поэтому такие характеристики обычно избегают называть величинами, а называют свойствами.

Размер ФВ - количественная определённость физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу. Другими словами, размер ФВ есть количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию «физическая величина» (например, размер длины, массы, силы тока и т.д.)

Значение ФВ - оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для неё единиц, причём отвлечённое (безразмерное) число, входящее в значение физической величины, называется числовым значением.

Истинное значение ФВ - значение физической величины, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину. Например, скорость света в вакууме, плотность дистиллированной воды при температуре 4 °С имеют вполне определённое значение - идеальное, которое мы не знаем.

Действительное значение ФВ - значение физической величины, полученное экспериментальным путём и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него. Например, действительное значение скорости света в вакууме составляет 2,997925-10⁸ м/с, плотность дистиллированной воды при температуре 4 °С составляет 10³ кг/м³.

Единица ФВ - физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице. Единицы одной и той же ФВ могут различаться по своему размеру. Например, метр, фут и дюйм, являясь единицами длины, имеют различные числовые значения:

1 фут = 0,3048 м, 1 дюйм = 0,0254 м.

Кратная единица ФВ - единица, которая в целое число раз больше основной или производной единицы.

1.1. Приставки СИ и множители для образования десятичных кратных и дольных единиц и их наименований

Множитель

Приставка

Обозначение приставки

Международное

Русское

10¹⁵	пета	Р	П
10²	тера	Т	Т
10⁹	гига	G	Г
10⁶	мега	М	M
10³	кило	k	к
10²	гекто	h	г
10¹	дека	da	да
10^-1	деци	d	д
10^-2	санти	с	с
10^-3	милли	m	м
10^-6	микро	m	мк
10^-9	нано	n	н
10^-12	пико	p	п
10-¹⁵	фемто	f	ф

Дольная единица ФВ - единица, которая в целое число раз меньше основной или производной единицы.

Кратные и дольные единицы ФВ образуются благодаря соответствующим приставкам к основным единицам (табл. 1.1).

Система ФВ - совокупность ФВ, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимают за независимые, а другие определяют как функции независимых величин.

Основная ФВ - физическая величина, входящая в систему и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы. Например, в системе LMT основные величины - длина, масса, время.

Основная единица ФВ - единица основной физической величины, выбранная произвольно при построении системы единиц (см. под- разд. 1.2). Например, основные единицы Международной системы единиц (СИ): метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела.

Рассмотрим наиболее распространённую во всем мире и принятую у нас в стране Международную систему единиц (СИ), содержащую семь основных единиц, которые приведены в табл. 1.2.

В названии системы величин применяют символы величин, принятых за основные. Так, система величин механики, в которой в качестве основных приняты длина L, масса M и время T, должна называться системой LMT. Система основных величин, соответствующая Международной системе единиц (СИ), должна обозначаться символами LMTI0NJ, обозначающими соответственно символы основных величин - длины L, массы M, времени T, силы электрического тока I, температуры 0, количества вещества N и силы света J.

Метр равен 1 650 763,73 длин волн в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2p₁₀ и 5d₅ атома криптона-86.

1.2. Основные единицы СИ

Величина
Наименование	Размерность	Наименование

Международное

Русское

Длина	L	метр	m	м
Масса	М	килограмм	kg	кг
Время	Т	секунда	s	с
Сила электрического тока	I	ампер	А	А
Термодинамическая температура		кельвин	К	К
Количество вещества	N	моль	mol	моль
Сила света	J	кандела	cd	кд

Килограмм равен массе международного прототипа килограмма.

Секунда равна 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Ампер равен силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2-10^-7 Н.

Кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды.

Температура тройной точки воды - это температура точки равновесия воды в твёрдой (лед), жидкой и газообразной (пар) фазах на 0,01 К или 0,01 °С выше точки таяния льда.

Допускается применение шкалы Цельсия (°С). Температура в °С обозначается символом t: t = T - T₀, где T₀ = 273,15 K. Тогда t = 0 °C при Т = 273,15 К.

Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг.

Кандела равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540-10¹² Гц, теоретическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Размерность ФВ - выражение в форме степенного одночлена, составленного из произведений символов основных физических величин в различных степенях и отражающего связь данной физической величины с физическими величинами, принятыми в данной системе величин за основные, с коэффициентом пропорциональности, равным 1.

Примечания :

1. Степени символов основных величин, входящих в одночлен, в зависимости от связи рассматриваемой физической величины с основными, могут быть целыми, дробными, положительными и отрицательными. Понятие «размерность» распространяется и на основные величины. Размерность основной величины в отношении самой себя равна единице, т.е. формула размерности основной величины совпадает с её символом.

2. В соответствии с международным стандартом ИСО 31/0, размерность величин следует обозначать знаком dim. В системе величин LMT размерность величины x будет: dim x = L¹ M ^mT^t, где L, M, T - символы величин, принятых за основные (соответственно длины, массы, времени).

Производные единицы системы СИ образуются с помощью простейших уравнений связи между величинами.

Кроме системных единиц системы СИ в нашей стране узаконено применение некоторых внесистемных единиц: атмосфера (98 кПа), бар, мм рт. ст., ангстрем (10^-10 м); киловатт-час; час (3600 с); дюйм (25,4 мм) и др.

Кроме того, применяются логарифмические ФВ - логарифм (десятичный или натуральный) безразмерного отношения одноимённых ФВ. Логарифмические ФВ применяют для выражения звукового давления, усиления, ослабления.

Единица логарифмической ФВ - бел (Б), которая определяется по следующей формуле:

1Б = lg(p2 / Pi) при Р 2= 10 Pi,

где Р₂ и Р₁ - одноимённые энергетические величины (мощность, энергия).

Для «силовых» величин (напряжение, сила тока, давление, напряжённость поля) бел определяется по формуле

1 Б = 2 lg^/F^ при F2 = .

Дольная единица от бела - децибел (дБ): 1 дБ = 0,1 Б.

Измерение — совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с её единицей и получение значения этой величины.

Примеры:

1. В простейшем случае, прикладывая линейку с делениями к какой-либо детали, по сути, сравнивают её размер с единицей, хранимой линейкой, и, произведя отсчёт, получают значение величины (длины, высоты, толщины и других параметров детали).

2. С помощью измерительного прибора сравнивают размер величины, преобразованной в перемещение указателя, с единицей, хранимой шкалой этого прибора, и проводят отсчёт.

Примечания :

1. Приведённое определение понятия «измерение» удовлетворяет общему уравнению измерений, что имеет существенное значение в деле упорядочения системы понятий в метрологии. В нём учтена техническая сторона (совокупность операций), раскрыта метрологическая суть измерений (сравнение с единицей) и показан гносеологический аспект (получение значения величины).

2. От термина «измерение» происходит термин «измерять», которым широко пользуются на практике. Всё же нередко применяются такие термины, как «мерить», «обмерять», «замерять», «промерять», не вписывающиеся в систему метрологических терминов. Их применять не следует.

Не следует также применять такие выражения, как «измерение значения» (например, мгновенного значения напряжения или его среднего квадратического значения), так как значение величины - это уже результат измерений.

3. В тех случаях, когда невозможно выполнить измерение (не выделена величина как физическая и не определена единица измерений этой величины), практикуется оценивание таких величин по условным шкалам.

Испытание - определение одной или нескольких характеристик продукции согласно установленной процедуре.

Задача испытания - получение количественных или качественных оценок характеристик продукции, т.е. оценивание способности выполнять требуемые функции в заданных условиях. Эта задача решается в испытательных лабораториях, её решением является подготовленный протокол испытаний с указанием параметров продукции.

Контроль - процедура оценивания соответствия путём наблюдений и суждений, сопровождаемых соответствующими измерениями, испытаниями и калибровкой.

1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Средством измерений называется техническое средство (или их комплекс), используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики. В отличие от таких технических средств, как индикаторы, предназначенных для обнаружения физических свойств (компас, лакмусовая бумага, осветительная электрическая лампочка), средства измерений позволяют не только обнаружить физическую величину, но и измерить её, т. е. сопоставить неизвестный размер с известным.

Другими отличительными признаками средств измерений являются, во-первых, «умение» хранить (или воспроизводить) единицу физической величины; во-вторых, неизменность размера хранимой единицы. Если же размер единицы в процессе измерений изменяется более чем установлено нормами, то с помощью такого средства невозможно получить результат с требуемой точностью. Отсюда следует, что измерять можно только тогда, когда техническое средство, предназначенное для этой цели, может хранить единицу, достаточно неизменную по размеру (во времени).

Средства измерений можно классифицировать по двум признакам: конструктивное исполнение; метрологическое назначение.

По конструктивному исполнению средства измерений подразделяются на меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, измерительные системы (комплексы) (см. рис. 1.1).

Мера физической величины - средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Рис. 1.1. Классификация средств измерений по конструктивному исполнению

Различают меры: однозначные (гиря 1 кг, калибр, конденсатор постоянной ёмкости); многозначные (масштабная линейка, конденсатор переменной ёмкости); наборы мер (набор гирь, набор калибров). Набор мер, конструктивно объединённых в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях, называется магазином мер. Примером такого набора может быть магазин электрических сопротивлений, магазин индуктивностей. Сравнение с мерой выполняется с помощью специальных технических средств - компараторов (рычажные весы, измерительный мост и т.д.).

К однозначным мерам можно отнести стандартные образцы (СО). Существуют стандартные образцы состава и стандартные образцы свойств.

Стандартный образец свойств или состава вещества (материала) - стандартный образец с установленными значениями величин, характеризующих свойства или состав веществ и материалов.

Измерительный преобразователь - техническое средство с нормированными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Принцип его действия основан на различных физических явлениях.

По характеру преобразования различают аналоговые, аналогоцифровые преобразователи (АЦП), преобразующие непрерывную величину в числовой эквивалент, цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), выполняющие обратное преобразование.

К измерительным преобразователям можно отнести преобразователи переменного напряжения в постоянное, измерительные трансформаторы напряжения и тока, делители тока, напряжения, усилители, компараторы, термопару и др. Измерительные преобразователи входят в состав какого-либо измерительного прибора, измерительной установки, измерительной системы или применяются вместе с каким-либо средством измерений.

Датчик - конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы (он «даёт» информацию).

Датчик может быть вынесен на значительное расстояние от средства измерений, принимающего его сигналы. В области аналитических измерений иногда применяют термин «детектор».

Пример: датчики запущенного метеорологического радиозонда передают измерительную информацию о температуре, давлении, влажности и других параметрах атмосферы.

Измерительный прибор (ИП) - средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне.

По способу индикации значений измеряемой величины измерительные приборы разделяют на показывающие и регистрирующие. По действию измерительные приборы разделяют на интегрирующие и суммирующие. Различают также приборы прямого действия и приборы сравнения, аналоговые и цифровые приборы, самопишущие и печатающие приборы

Измерительная установка (ИУ) - совокупность функционально объединённых мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте, например, установка для измерения характеристик транзистора, установка для измерения мощности в трёхфазных цепях и др.

Измерительная машина (ИМ) - измерительная установка крупных размеров, предназначенная для точных измерений физических величин, характеризующих изделие.

Примеры:

1. Силоизмерительная машина.

2. Машина для измерения больших длин в промышленном производстве.

3. Делительная машина.

4. Координатно-измерительная машина.

Измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) - функционально объединённая совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения в составе измерительной системы конкретной измерительной задачи.

Измерительная система - совокупность функционально объединённых мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещённых в разных точках контролируемого объекта и т.п. с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях.

В зависимости от назначения измерительные системы разделяют на измерительные информационные, измерительные контролирующие, измерительные управляющие системы и др.

Измерительную систему, перестраиваемую в зависимости от изменения измерительной задачи, называют гибкой измерительной системой (ГИС).

Примеры:

1. Измерительная система теплоэлектростанции, позволяющая получать измерительную информацию о ряде физических величин в разных энергоблоках. Она может содержать сотни измерительных каналов.

2. Радионавигационная система для определения местоположения различных объектов, состоящая из ряда измерительно-вычислительных комплексов, разнесённых в пространстве на значительное расстояние друг от друга.

Измерительное устройство - часть измерительного прибора (установки или системы), связанная с измерительным сигналом и имеющая обособленную конструкцию и назначение.

1.3. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ И ХАРАКТЕРИСТИКИ
СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Методы и технические средства не являются идеальными, а органы восприятия экспериментатора не могут идеально воспринимать показания приборов. Поэтому после завершения процесса измерения остаётся некоторая неопределённость в наших знаниях об объекте измерения, т.е. получить истинное значение ФВ невозможно. Остаточная неопределённость наших знаний об измеряемом объекте может характеризоваться различными мерами неопределённости. В теории изме

рений мерой неопределённости результата измерения является погрешность результата наблюдения. Более подробно погрешности измерений рассматриваются в курсе «Метрология, стандартизация, сертификация». Ниже будут приведены лишь основные сведения о них.

Под погрешностью результата измерения, или просто погрешностью измерения, понимается отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой физической величины. Записывается это следующим образом:

Xизм −X = Δ,

где Х_изм - результат измерения; X - истинное значение ФВ.

Однако, поскольку истинное значение ФВ остаётся неизвестным, то неизвестна и погрешность измерения. Поэтому на практике имеют дело с приближёнными значениями погрешности или с так называемыми их оценками. В формулу для оценки погрешности подставляют вместо истинного значения ФВ её действительное значение. Таким образом, формула для оценки погрешности имеет следующий вид:

^Д = ^Xизм ^-^Xд ,

где X_a - действительное значение ФВ.

Каковы же основные причины возникновения погрешности? Можно выделить четыре основные группы погрешностей измерения:

- погрешности, вызванные методиками выполнения измерения (погрешность метода измерения);

- погрешность средств измерения;

- погрешность органов чувств наблюдателей (субъективные погрешности);

- погрешности, обусловленные влиянием условий измерения.

Все эти погрешности дают суммарную погрешность измерения.

В метрологии принято разделять суммарную погрешность измерения на две составляющие - случайную и систематическую погрешности.

Случайная погрешность измерения - составляющая погрешности результатов измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) в повторных наблюдениях, проведённых с одинаковой тщательностью одной и той же неизменяющейся (детерминированной) ФВ.

Систематическая погрешность измерения - составляющая погрешности результата измерения, остающаяся постоянной или же закономерно изменяющаяся при повторных наблюдениях одной и той же неизменяющейся ФВ.

В общем случае в результатах измерения всегда присутствуют эти обе составляющие. На практике часто бывает так, что одна из них значительно превышает другую. В этих случаях меньшей составляющей пренебрегают. Например, при измерениях, проводимых с помощью линейки или рулетки, как правило, преобладает случайная составляющая погрешности, а систематическая - мала, ею пренебрегают. Случайная составляющая в этом случае объясняется следующими основными причинами:

- неточностью (перекосом) установки рулетки (линейки);

- неточностью установки начала отсчёта;

- изменением угла наблюдения;

- усталостью глаз;

- изменением освещённости.

Систематическая погрешность возникает из-за несовершенства метода выполнения измерения, погрешностей СИ, неточного знания математической модели измерения, из-за влияния условий, погрешностей градуировки и поверки СИ, личных причин.

Поскольку случайные погрешности результатов измерения являются случайными величинами, в основе их обработки лежат методы теории вероятностей и математической статистики.

Кроме случайной и систематической погрешностей измерения различают так называемую грубую погрешность измерения. Иногда в литературе эту погрешность называют промахом. Грубая погрешность результата измерения - это такая погрешность, которая значительно превышает ожидаемую.

Как уже отмечалось, в общем случае проявляются одновременно обе составляющие суммарной погрешности измерения - случайная и систематическая, поэтому

сист ’

Д = Д_сл+Д

где Д - суммарная погрешность измерения, она может быть представлена в виде суммы; Д_сл - случайная составляющая погрешности измерения; Д_сист - систематическая составляющая погрешности измерения.

Различают также абсолютные и относительные погрешности.

Абсолютная погрешность - погрешность, выраженная в единицах измеряемой величины. Например, погрешность измерения массы в 5 кг - 0,0001 кг. Она обозначается Д. Данная погрешность может быть как отрицательной, так и положительной. Как правило, она позволяет определить интервал возможных значений измеряемой величины и не позволяет судить о точности измерений. Например, абсолютная погрешность измерения длины составила ±0,5 м. Если измерялось расстояние между поверхностями Земли и Луны в какой-либо момент времени, то это точное измерение, а если измерялась длина стола -точность измерения была крайне низка. Поэтому для характеристики точности измерений удобно применять относительную погрешность.

Относительная погрешность - это безразмерная величина, определяющаяся отношением абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой ФВ. Как правило, она выражается в процентах (%). Относительная погрешность обозначается 8 и определяется следующим образом:

D X_изм- Х_Д

8 = —-100% =---------- -100%.

^Xд ^Xд

Точностью измерения называется величина, обратная относительной погрешности.

Поскольку значение Х_д близко к Х_изм (очень мало отличается от него), то на практике обычно принимается

δ=(Δ/X изм)100%

Приведённой погрешностью средства измерения по входу g_x или выходу g_y называют отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению входного —_N или выходного сигнала. Вычисление погрешности по входу (выходу) проводят по формулам:

D D

Y _x = ---100%, Y_y =---100%.

X_N Y_N

Обычно в качестве нормирующего значения используется диапазон измерений преобразователя (Х_в - Х_н) или соответствующий ему диапазон измерений выходного сигнала (У_в - У_н).

Приведённая погрешность не позволяет судить о точности измерений, поскольку на точность измерения в данном случае влияет ещё диапазон измерения.

Чрезвычайно важными для применения измерительных устройств и правильной оценки погрешности измерений, получаемой при их использовании, являются сведения о зависимости погрешности от значения измерительной величины в пределах диапазона измерений, а также сведения об изменениях этой погрешности под действием влияющих величин.

Зависимость погрешности от значения измеряемой величины определяется принятой конструкцией (схемой) и технологией изготовления измерительного устройства. Для рассмотрения этих зависимостей удобно использовать понятие номинальной и реальной статической характеристики измерительного устройства.

Градуировочная характеристика - зависимость между значениями величин на входе и выходе средства измерений, полученная экспериментально. Зависимость выходной величины средства измерения от

величины на входе в статическом режиме называется статической характеристикой.

Номинальной (или идеальной) статической характеристикой (НСХ) называется характеристика, которая приписана измерительному устройству данного типа, указанная в его паспорте и используется при выполнении с его помощью измерений.

Реальной статической характеристикой (РСХ) называется характеристика, которой обладает конкретный экземпляр измерительного устройства данного типа. Статические характеристики называют иначе функциями преобразования.

Из-за несовершенства конструкций и технологий изготовления измерительных устройств РСХ отличается от НСХ. Это отличие и определяет природу погрешностей данного измерительного устройства. Отклонения реальной характеристики от номинальной различны и зависят от значений измеряемой величины по всей шкале. По этому признаку погрешности принято разделять на аддитивную, мультипликативную, линейности и гистерезиса.

12 3 4 5 6 7 8 Следующая ⇒