Титульный лист методических рекомендаций

Форма Ф СО ПГУ 7.18.3/40

Министерство образования и науки Республики Казахстан

«Общая теория измерений» для студентов специальности

5В073200 –Стандартизация, сертификация и метрология

Павлодар

Лист утверждения методических рекомендаций

Форма Ф СО ПГУ 7.18.3/41

УТВЕРЖДАЮ

___________Н.Э.Пфейфер

(подпись)

«___»________20__г

(подпись)

Кафедра машиностроения и стандартизации

«Общая теория измерения» для студентов специальности

5В073200 –Стандартизация, сертификация и метрология

Рекомендовано на заседании кафедры «___»_________20__г.

Протокол №___
Заведующий кафедрой _________ Шумейко И.А. «___»_________20__г.

(подпись)

(подпись)

Начальник ОПиМОУП _________ Варакута А.А. «___»_________20__г.

(подпись)
Одобрена учебно-методическим советом университета

«____»______________20__г. Протокол №____

В результате изучения дисциплины студент должен знать:

• 
  Термины и определения;
  
• 
  Международную систему единиц измерения;
  
• 
  Общие законы и правила измерений, методы и средства измерений, погрешности измерений и законы их распределения, методы обработки результатов измерения.
  

- анализировать схемы измерений различных физических величин, определять погрешности измерений творчески применять знания в процессе обучения.

2 Краткая характеристика содержание тем дисциплины

Тема 1 Введение.

Предметы и явления окружающего мира как объекты познания. Физические величины, единица физической величины, измерение, шкалы измерений, постулаты измерений, классификация. Понятие об эталонах, поверочных схем. Теория воспроизведения единиц физических величин и передачи их размеров. Погрешности измерений, классификация. Способы обнаружения и устранения систематических погрешностей. Вероятное описание систематических погрешностей. Точечные оценки законов распределения. Грубые погрешности и методы их исключения. Обработка результатов измерений. Основные теории суммирования погрешностей.[3]

Тема 2 Процессы измерения, предметы и явления окружающего мира как объекты познания. Физические величины. Теория подобия свойства, размерность.

Основополагающим понятием метрологии является измерение- нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Под термином физическая величина понимают свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них. Количественное содержание этого свойства в объекте является размером физической величины, а числовую оценку ее размера называют значением физической величины. Физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице, называют единицей физической величиной. Физические величины, выражающие одно и тоже в качественном отношении свойство, называются однородными. Действительным называют значение, физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что дл данной цели может быть использовано вместо него. Основной называют физическую величину, входящую в систему и условно принятую в качестве независимой от других величин этой системы. Основными называют единицы физических величин, выбранные произвольно при построении системы единиц. Производными называют единицы, образуемые по определяющему эти единицы уравнению из других единиц данной системы.

Точность-это качество измерений, отражающее близость из результатов к истинному значению измеряемой величины.

Достоверность измерений характеризует степень доверия к результатам измерений. Достоверность оценки погрешностей определяют на основе законов теории вероятностей и математической статистики.

Под правильностью измерений понимают качество измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в результатах измерений.

Сходимость-это качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях. Сходимость измерений отражает влияние случайных погрешностей.

Воспроизводимость - это такое качество измерений, которое отражает близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в различных условиях.

Погрешность измерения - это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.[2]

Тема 3 Понятие правильности, точности, достоверности – как стабильности результатов измерений.

Шкальные отсчетные устройства состоят из шкалы, представляющей собой совокупность отметок и чисел, изображающих ряд последовательных значений измеряемой величины, и указателя, связанного с подвижной системой прибора. Основными характеристиками шкалы рассматриваемого отсчетного устройства являются- длина деления шкалы- расстояние между осями или центрами двух соседних отметок шкалы , измеренное вдоль ее базовой линии, т. е. линии, проходящей через середины ее самых коротких отметок.

Цена деления шкалы – значение измеряемой величины, которое вызывает перемещение подвижного элемента отсчетного устройства на одно деление , т. е. модуль разности значений измеряемой величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы.

Диапазон показаний измерительного прибора со шкальным отсчетным устройством- это область значений шкалы, ограниченная начальным и конечным ее значениями.

Диапазон измерений- это область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений. Он ограничивается верхними и нижними пределами измерений.

Основные производные единицы СИ.

Международная система единиц введена в действие стандартом 8.417-81.

Метр равен 1650763,73 длин волн в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2р10и 5d5 атома криптона – 86.

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.[8]

Тема 4 Шкалы измерений. Постулаты теории измерений.[4.6]

Числовое значение величины находят путем измерения, т. е. узнают, во сколько раз значение данной величины больше или меньше значения вели­чины, принятого равным единице. По способу получения числового значения из­меряемой величины вес измерения делят на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямым называют измерение, при котором искомое значение величины на­ходят непосредственно из опытных данных.

Уравнение прямого измерения имеет вид

у = с • х,

где у — значение измеряемой величины в принятых для нее единицах измере­ния; с — цена деления шкалы или единичного показания цифрового отсчетного устройства в единицах измеряемой величины; х — отсчет по индикаторному устройству в делениях шкалы.

Например, измерение диаметра вала штангенциркулем будет прямым, так как оно дает непосредственно значение диаметра вала.

Если же вал имеет диаметр, равный нескольким метрам, то измерить его штангенциркулем очень сложно. В этом случае измеряют длину окружности вала, а размер диаметра вычисляют по известной формуле длины окружности, т. е. диаметр вала измеряют косвенно.

Косвенным называют измерение, результат которого определяют на осно­вании прямых измерений величин, связанных с измеряемой величиной известной зависимостью.

Уравнение косвенного измерения имеет вид

у= f (х1,х2,…,хn),

где у— искомая величина, являющаяся функцией аргументов xi, х₂> …, Х_п, из­меренных прямым методом.

Например, удельное электрическое сопротивление проводника можно найти по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения.

Косвенные измерения широко применяют в измерительной технике: при из­мерении сферической поверхности оптической линзы, когда реально существует лишь часть этой поверхности, или в тех случаях, когда выполнить прямые из­мерения невозможно, например, при измерении плотности твердого тела, опре­деляемой обычно по результатам измерений объема и массы.

Совокупными называют проводимые одновременно измерения нескольких, одноименных величин, при которых значения искомых величин находят реше­нием системы уравнений, получаемых при прямых измерениях. Например, из­мерения, при которых массы отдельных гирь набора находят по известной мас­се одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочета­ний гирь.

Совместными называют производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения функциональной зависимо­сти между ними. Например, измерения, при которых электрическое сопротивле­ние при температуре 20 °С и температурные коэффициенты измерительного

ре­зистора находят по данным прямых измерений его сопротивления при различ­ных температурах.

Измерения разделяют также на абсолютные и относительные.

Абсолютным называют измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант. Например, абсолютным является измерение, выполняемое с помощью штангенциркуля, так как при этом получают непосредственно значение измеряе­мой величины.

Пассивный контроль позволяет только констатировать факт, находятся или не находятся в заданных пределах физические параметры контролируемого объекта. Пассивный контроль осуществляют при разбраковке изделий на годные и негодные. Когда разбраковывают изделия, то часто не только отделяют годную продукцию от брака, но и брак сортируют на исправимый и неисправи­мый. Контроль осуществляют одним из двух способов: проверкой каждого из элементов или параметров, от которых зависит это свойство, (поэлементный контроль) или одновременной проверкой комплекса элементов, при которой непо­средственно контролируется требуемое свойство изделия (комплексный конт­роль).

Поэлементный контроль имеет ряд преимуществ: не требует создания спе­циальных средств измерений; позволяет осуществлять выборочный контроль; дает возможность оценить точность каждого из элементов изделия, а следова­тельно, наметить пути дальнейшего совершенствования технологического процесса. Однако при использовании поэлементного контроля возможны ошибки. Напри­мер, изделие может быть забраковано по одному из элементов, хотя его откло­нение компенсируется точным изготовлением других элементов, и изделие обла­дает требуемым свойством, т. е. годно, или если разработчику не удалось вы­явить все элементы, от которых зависит данное свойство изделия, и часть из них не контролируется, то может быть пропущен брак.

Тема 5 Системы единиц физических величин. Эталоны физических величины и поверочные схемы.

Следовательно, высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров единиц измерений являются эталоны.

Эталон — это средство измерений («ли комплекс средств измерений), обес­печивающее воспроизведение и хранение единицы с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений, выполненное по осо­бой спецификации и официально утвержденное в установленном порядке.

Создание или совершенствование эталонов представляет собой работу иск­лючительно сложную по точности, кропотливости и трудоемкости. Требования к точности исходного размера единицы непрерывно повышаются и это застав­ляет непрерывно совершенствовать эталоны. Успехи в развитии фундаменталь­ных наук и прежде всего физики и химии, позволяют создавать эталоны, осно­ванные на новых принципах. Например, использование в указанных целях мо­лекулярных, атомарных и ядерных процессов.

Воспроизведение единицы осуществляют на эталонной установке по особой строго регламентированной спецификации. В принципе воспроизведение может быть произведено в любом месте при соблюдении требований, предусмотренных спецификацией. Однако практика измерений показывает, что результаты изме­рений, произведенные в различных местах с максимальной тщательностью, все же имеют некоторые расхождения. Это подтверждает и практика сличений эта­лонов (международные сличения и сличения эталонов одной единицы внутри страны). Создание, хранение и применение эталонов, придание им силы закона, контроль за их состоянием подчиняются единым правилам, установленным в ГОСТ 8.057-80 и ГОСТ 8.372-80.

Воспроизведение единиц осуществляют одним из двух способов, выбирае­мым исходя из соображений технико-экономической целесообразности: централизованое — с помощью единого для всей страны государственного эталона — или децентрализованное — когда требуемая точность воспроизведения может быть обеспечена посредством косвенных измерений, выполняемых в органах метрологической службы с помощью образцовых средств измерений.

Первым способом воспроизводят все основные единицы Международной системы единиц (СИ) и большую часть производных. Главными условиями для централизованного воспроизведения производных единиц являются: широкая распространенность средств измерений, градуируемых в данной единице, техни­ческая возможность прямых сравнений с эталоном и высокий уровень точности поверки, требующий наличия специального сложного и дорогого оборудования, которое целесообразно создавать и использовать в нескольких местах.

Второй способ применим к производным единицам, размер которых не мо­жет передаваться прямым сравнением с эталоном (например, единица площа­ди— квадратный метр), или если поверка мер посредством косвенных измере­ний проще, чем их сравнение с эталоном, и обеспечивает необходимую точность (например, мера вместимости — кубический метр). В некоторых случаях требуе­мая точность измерения может быть обеспечена только при наличии специально сконструированных измерительных установок — поверочных установок высшей точности.

Так, для поверки тахометров служат тахометрические установки, основанные на сравнении измеряемой частоты вращения с частотой образцового гене­ратора; поверку виброметров осуществляют на вибростендах, снабженных об­разцовыми средствами измерений параметров вибрации: амплитуды, скорости, ускорения, частоты. Существуют установки для воспроизведения единиц свето­чувствительности фотоматериалов, их разрешающей силы; теплопроводности твердых, жидких и газообразных веществ; тангенса угла потерь, потерь на перемагничивание магнитных материалов и т. д.

Первичным называют эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране точностью. Первичные эталоны — наиболее точные из всех видов эталонов данной единицы, служащие для ее воспроизведения в наиболее благоприятных условиях.

Однако некоторые физические величины приходится измерять в различных условиях, в связи с чем появилось множество методов измерений и видов средств измерений, приспособленных для этих условий. Так, вещество может су­ществовать в различных фазах (твердой, жидкой и газообразной), и средства измерений свойств веществ или параметров происходящих в них процессов должны быть приспособлены к этим фазам. Требуется измерять не только неиз­менные во времени величины, но и изменяющиеся, в частности, периодические или импульсные, и при этом в широкой полосе частот. Условия измерений (дав­ление в среде, ее температура и т. д.) могут сильно отличаться от обычных. В связи с этим методы, средства и условия поверки средств измерений должны

входящие в групповой эталон, применяют в качестве рабочих эталонов, если это допустимо по условиям хранения единицы.

Эталонный набор представляет собой набор мер или набор измерительных приборов, позволяющий хранить единицу или измерять величину в определен­ной диапазоне, в котором отдельные меры или измерительные приборы набора имеют различные номинальные значения или под диапазоны значений величины. Аналогично групповым эталонам различают эталонные наборы постоянного и переменного состава. Примером эталонного набора является рабочий эталон единицы плотности жидкостей в виде набора денсиметров, служащих для опре­деления плотности жидкостей в различных участках диапазона.

Для государственных эталонов указывают:

случайную погрешность воспроизведения единицы, выраженную в виде среднего квадратического отклонения результата измерений;

неисключенную систематическую погрешность воспроизведения единицы.

Погрешности для эталонов-копий, эталонов сравнения и рабочих эталонов указывают с учетом погрешностей передачи размера единицы от соответствую­щего вышестоящего эталона, выраженных в виде среднего квадратического от­клонения результата поверки.

Все эталоны вносят в Государственный реестр эталонов , в котором указывают полное наименование эталона, его номер или нанесенный на нем знак, номинальное значение или диапазон значений, метрологические парамет­ры, место создания, дату утверждения Госстандартом и наименование предста­вившего органа метрологической службы, место хранения и фамилию ученого-хранителя. Ученый-хранитель — ответственное лицо, назначаемое для ведения работ с эталонами, наблюдения за правильным хранением, сличением и исследо­ванием эталонов в метрологических институтах, в том числе и международным сличением. Государственные эталоны хранят в метрологических институтах Госстандарта, которые ведут исследования эталонов и применяют их для пере­дачи размеров единиц вторичным эталонам.

Кроме национальных эталонов единиц, существуют международные этало­ны, хранимые в Международном бюро мер и весов (МБМВ). Программой дея­тельности МБМВ предусмотрены систематические международные сличения на­циональных эталонов крупнейших метрологических лабораторий разных стран с международными эталонами и между собой.

Комплексной программой дальнейшего углубления и совершенствования со­трудничества и развития социалистической экономической интеграции стран — членов СЭВ предусмотрены работы по созданию единой системы эталонов стран — членов СЭВ на основе СИ и сличению национальных эталонов стран — членов СЭВ.

Средство измерений — это техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства. К средствам измерений относят меры и измерительные приборы, преобразователи, установки и системы. От средств измерений зависит правильное определение значения измеряемой величины в процессе измерения.

Мера — это средство измерений, предназначенное для воспроизведения фи­зической величины заданного размера. Например, гиря—мера. массы,, измери­тельный резистор — мера электрического сопротивления и т.п. К мерам отно­сятся также стандартные образцы и образцовые вещества. Стандартный образец — это мера для воспроизведения единиц величин, ха­рактеризующих свойства или состав веществ и материалов. Например, стандарт­ный образец свойств ферромагнитных материалов или среднелегированной стали с аттестованным содержанием химических элементов, образцы шероховатости поверхности.

Образцовое вещество — это вещество с известными свойствами, воспроиз­водимыми при соблюдении условий приготовления, указанных в утвержденной спецификации. Например, «чистая» вода, «чистые» газы, «чистые» металлы.

Образцовые вещества воспроизводят строго регламентированный состав веществ и широко используются при производстве количественных химических анализов и в создании реперных точек шкал. Например, «чистый» цинк служит для воспроизведения температуры ~420°С.

В случае, если мера должна использоваться исключительно со значениями, вычисляемыми согласно инструкции по эксплуатации с учетом поправок, приве­денных в сопроводительной документации, то номинальными являются припи­сываемые мере исправленные значения.

Меры подразделяют на однозначные и многозначные.

Однозначная мера воспроизводит физическую величину одного размера. По сути дела она воспроизводит либо единицу измерения, либо некоторое опреде­ленное числовое значение данной физической величины. Например, измери­тельная катушка сопротивления, гиря, плоскопараллельная концевая мера дли­ны, измерительная колба, измерительный резистор, нормальный элемент, кон­денсатор постоянной емкости.

Из однозначных мер собирают наборы мер. Набор мер — это специально подобранный комплект мер, применяемых не только по отдельности, но и б раз­личных сочетаниях с целью воспроизведения ряда одноименных величин раз­личного размера. Например, набор измерительных конденсаторов, набор пло­скопараллельных концевых мер длины, набор гирь.

Многозначная мера воспроизводит ряд одноименных величин различного размера. Например, конденсатор переменной емкости, вариометр индуктивности, линейки с миллиметровыми делениями.

Образцовые средства измерений предназначены для передачи размеров еди­ниц физических величин от эталонов или более точных образцовых средств ра­бочим средствам. Общие требования к образцовым средствам измерений уста­навливает ГОСТ 8.382—80. Образцовыми средствами измерений являются меры, измерительные приборы и устройства, прошедшие метрологическую аттестацию и утвержденные органами государственной или ведомственной метрологических служб в качестве образцовых. По назначению следует различать исходные и подчиненные образцовые средства измерений.

Исходными называют образцовые средства измерений, от которых размер единицы передается с наивысшей с данном подразделении метрологической службы точностью.

Подчиненными называют образцовые средства измерений, которым переда­ется размер единицы от исходного образцового средства измерений непосредст­венно или через другие образцовые средства измерений.

В зависимости от погрешности аттестации образцовые средства измерений подразделяются на разряды. Для различных видов измерений, проводимых в отрасли, устанавливается различное число разрядов образцовых средств изме­рений, предусмотренное стандартами на поверочные схемы данного вида средств измерений. Разряды служат основой для их метрологического соподчинения: об­разцовые средства 1-го разряда поверяются, как правило, непосредственно по рабочим эталонам, а 2-го и последующих разрядов — по образцовым средствам предшествующих разрядов. Например, образцовыми мерами электродвижущей силы 1-го разряда служат нормальные элементы с погрешностью ±2 - 10%, а образцовыми мерами 2-го разряда — нормальные элементы с погрешностью ±5 - 10%. Образцовые меры массы (гири) и измерительные приборы для измерения давления делятся на четыре разряда.

Разделение средств измерений на образцовые и рабочие определяется, в первую очередь, их метрологическим назначением. Различные экземпляры одного и того же средства измерений могут выполнять функции образцового или ра­бочего средства. Однако экземпляр средства измерений, выполняющий функции образцового средства, не используют для обычных технических измерений.

Образцовые средства измерений выполняют в системе обеспечения единства измерений в стране очень ответственную роль, так как они «распространяют» единицы, передавая их размер другим средствам измерений, поэтому они под­лежат тщательному хранению и поверку их проводят настолько часто, чтобы была обеспечена требуемая точность и достоверность результатов измерении. Применять их следует только для поверки других средств измерений. Средства

измерений, аттестованные в качестве образцовых, допускается применять в ка­честве рабочих только в особых случаях, с разрешения органа метрологиче­ской службы, производившего аттестацию этих средств измерений.

Рабочие средства применяют для измерений, не связанных с передачей размера единиц, т. е. они служат для технических измерений в лабораториях или на производстве.

Для образцового средства измерений не так важно, насколько велики по­правки к его показаниям, как важна стабильность и воспроизводимость его показаний. Поэтому к образцовым средствам измерений в отличие от рабочих предъявляют более высокие требования в отношении воспроизводимости пока­заний. К рабочим же средствам измерений предъявляют специфические требо­вания, связанные с условиями их применения.

Цифровые отсчетные устройства бывают либо механические, либо световые. Механические отсчетные устройства используют в тех цифровых приборах, у которых измеряемая величина преобразуется в соответствующие углы поворота валов. Световые табло, состоящие, как правило, из системы индикаторных газо­разрядных ламп, подсвечивающих те или иные цифры, используются в элек­тронных цифровых приборах, у которых измеряемые величины преобразуются в определенную последовательность импульсных сигналов.

Регистрирующие отсчетные устройства состоят из пишущего или печатного механизма и ленты. Простейшее пишущее устройство представляет собой перо, заполненное чернилами, фиксирующее результат измерения на бумажной ленте. В более сложных устройствах запись результатов измерений может произво­диться световым или электронным лучом, перемещение которого зависит от значений измеряемых величин.

Измерительные приборы классифицируются по весьма разнообразным при­знакам, к числу которых относят и рассматриваемые ниже способы определе­ния значений измеряемой величины и образования показаний.

По способу определения значения измеряемой величины приборы делятся на две группы: прямого действия и сравнения.

Приборы прямого действия (непосредственной оценки) позволяют получать значения измеряемой величины на отсчетном устройстве. Такие приборы со­стоят из нескольких элементов, осуществляющих необходимое преобразование измеряемой величины в сигнал того или иного вида, или, если необходимо, уси­ление этого сигнала, чтобы вызвать перемещение подвижного органа отсчетного устройства. Примером может служить электронный вольтметр, предназначенный для измерения высокочастотного напряжения. Входной сигнал подается на де­тектор, преобразующий переменное напряжение в постоянное, которое после усиления в усилителе постоянного тока подводится к магнитоэлектрическому вольтметру постоянного тока. Здесь постоянное напряжение, в свою очередь, преобразуется в механический момент, поворачивающий подвижную рамку на угол, пропорциональный значению измеряемого напряжения. Шкала же вольт­метра постоянного тока может быть градуирована в амплитудных или эффек­тивных значениях переменного напряжения, подводимого ко входу электронного вольтметра.[1]

Тема 6 Погрешности измерений, математические модели погрешностей.

Регистрирующие измерительные приборы подразделяют на самопишущие (например, барографы, термографы, шлейфовые осциллографы), выдающие по­казания в форме диаграммы, и печатающие, которые выдают результат изме­рений в цифровой форме на бумажной ленте. Регистрирующие приборы нахо­дят широкое применение при измерении физических величин — параметров про­цессов или свойств объектов в динамических режимах, когда непрерывно изме­няются те или иные условия измерения (температура, давление и т. п.).

Измерительный преобразователь — средство измерений, служащее для вы­работки измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальней­шего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредст­венному восприятию наблюдателем.

Преобразуемая физическая величина называется входной, а результат пре­образования— выходной величиной. Связь между выходной и входной величи­нами преобразователя устанавливается функцией преобразования.

Измерительные преобразователи являются составной частью измерительных приборов, различных измерительных систем, системы автоматического контроля или регулирования тех или иных процессов.

Измерительный преобразователь, к которому подведена измеряемая вели­чина, называется первичным преобразователем. Например, термопара в термо­электрическом термометре.

Измерительный преобразователь, предназначенный для изменения величины в заданное число раз, называется масштабным. Например, делители напряжений на входе вольтметров или электронных осциллографов, а также измерительные усилители.

Измерительный преобразователь, предназначенный для дистанционной пе­редачи сигнала измерительной информации, называется передающим. Например, индуктивный и пневматические передающие преобразователи.

Вспомогательным является средство измерений величин, влияющих на метрологические свойства другого средства измерений при его применении или поверке. Например, точность измерения объемного расхода газа или линейных размеров тел зависит от температуры, измеряемой термометром, который и является вспомогательным средством измерений.

Измерительная установка — это совокупность функционально объединен­ных средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобра­зователей) и вспомогательных устройств, предназначенных для выработки сиг-налов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного вос­приятия наблюдателем, и расположенных в одном месте.

Создание измерительных установок, называемых также измерительными стендами, позволяет наиболее рационально расположить все требуемые средства измерений и соединить их с объектами измерений для обеспечения наиболее вы­сокой производительности труда на данном рабочем месте (например, на рабо­чих местах операторов в конкретных условиях производства или поверочных лабораторий). Так создаются измерительные установки (стенды), например, для контроля работоспособности тех или иных технических устройств, для поверки различных средств измерений и т. п.

Измерительные системы предназначены для выработки сигналов измери­тельной информации в форме, удобной для автоматической обработки передачи и использования в автоматических системах управления. Их главная цель — автоматизация процесса измерения и использования результатов измерения для автоматического управления различными процессами производства. В состав таких систем могут входить датчики различных физических величин, преобра­зователи одних величин в другие, схемы автоматического регулирования, меры и измерительные приборы. В случае, если различные элементы системы разне­сены на значительные расстояния друг от Друга, то связь между ними осуществ­ляется как по проводным, так и беспроводным каналам.

[5]

Относительным называют измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принятой за исходную. Например, измерения с помощью оптиметра или рычажной скобы являются относительными: сначала устанавли­вают концевую меру или блок концевых мер и средства измерений настраивают так, чтобы показания по шкале были равны нулю, а затем помещают измеряе­мую деталь и производят отсчет, т. е. стрелка показывает отклонение размера детали от известного размера концевой меры или блока. Относительным явля­ется также измерение температуры с использованием термоэлектрического эф­фекта или измерение массы взвешиванием, т. е. с использованием силы тяжести, пропорциональной массе. Относительные измерения применяют там, где необходима высокая точность.

Большинство измерений в настоящее время выполняют на производстве и используют при осуществлении контроля за качеством выпускаемой продукции и параметрами технологического процесса. Под контролем понимают измерение, в процессе которого определяют, находится ли значение измеряемой величины в заранее установленных для нее пределах. Контроль в зависимости от его непосредственного влияния на технологический процесс подразделяют на ак­тивный и пассивный.

Активный контроль оказывает воздействие на технологический процесс не­посредственно в ходе изготовления контролируемых изделий. От его точности зависит качество выпускаемой продукции. Например, при шлифовании на авто­матическом станке, когда прибор «следит» за размером диаметра шлифуемой детали, он связан с рабочими органами станка и с помощью промежуточных устройств управляет этими органами. Одним из видов активного контроля яв­ляется подналадка, заключающаяся в том, что по показаниям контролирующего прибора устраняют рост систематической погрешности.[6]

Тема 8. Случайные погрешности. Вероятностное описание и законы распределения случайных погрешностей.

Дифференциальные и нулевые методы нашли очень широкое применение во всех видах измерений: от производственных (в цехах) до сличении эталонов, так как используемые меры (гири, нормальные элементы, катушки и магазины сопротивлений) точнее, чем соответствующие им по стоимости и степени рас­пространения приборы.

Метод совпадений — это метод сравнения с мерой, в котором разность между значениями искомой и воспроизводимой мерой величии измеряют, ис­пользуя совпадения отметок шкал или периодических сигналов. Например, при измерении длины с помощью штангенциркуля с нониусом наблюдают совпаде­ние отметок на шкалах штангенциркуля и нониуса. Метод совпадений называют также нониусным. Этот метод позволяет существенно увеличить точность срав­нения с мерой.

Метод замещения основан на сравнении с мерой, при котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой, сохраняя все условия неизменными. Например: взвешивание с поочередным помещением изме­ряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов; измерение электрического сопротивления резистора путем замены его магазином сопротивлений и подбо­ром значения его сопротивления до получения прежних показаний омметра, моста или другого прибора, обладающего достаточной чувствительностью при любой систематической погрешности, так как отсчет берется по мере, а не по прибору. Погрешность измерения определяется в основном погрешностью меры и чувствительностью индикаторного прибора, а поэтому весьма мала. Недостат­ком метода замещения является необходимость применения многозначных мер (магазина мер, батареи нормальных элементов, набора гирь и т.п.).

Комбинация методов замещения и дифференциального, хотя несколько снижает точность, но позволяет использовать меньшие наборы мер.

Обеспечение единства измерений возможно в случае тождествен­ности единиц, в которых градуированы все средства измерений одной и той же физической величины. Единство измерений достигается путем точного воспроиз­ведения и хранения установленных единиц физических величин и передачи их размеров применяемым средствам измерений. Воспроизведение, хранение и пере­дачу размеров единиц осуществляют с помощью эталонов и образцовых средств измерений. [7]

Тема 9. Точечные оценки законов распределения.

Характерной особенностью приборов непосредственной оценки является то, что результаты, полученные с их помощью, не требуют сравнения с показания­ми образцовых средств измерений.

К таким приборам относится большая часть вольтметров, амперметров, ма­нометров, термометров и др.

В приборах сравнения значение измеряемой величины определяют сравне­нием с известной величиной, соответствующей воспроизводящей ее меры. На­пример, при измерении массы тел на рычажных весах. Для сравнения измеряе­мой величины с мерой используют компенсационные или мостовые измеритель­ные цепи. В компенсационных вольтметрах измерение напряжения основано на сравнении измеряемой величины с величиной компенсирующего напряжения, задаваемого мерой напряжения (нормальным элементом или другой образцовой мерой напряжения). На сравнении измеряемой величины с мерой основана ра­бота грузопоршневых и грузопружинных манометров, где сравниваются сило­вые эффекты, с которыми действуют на поршень измеряемое давление и мера массы. При измерении линейных размеров тел с использованием концевых мер длины часто используют дифференциальный метод сравнения, т. е. для измере­ния разности между измеряемой величиной и мерой применяют дополнитель­ные приборы непосредственной оценки. Если объектами измерения являются параметры элементов, которые не несут в себе энергии (параметры пассивных элементов), то для сравнения измеряемой величины с мерой чаще всего исполь­зуют мостовые измерительные схемы. В этих схемах пассивные элементы пред­варительно преобразуются в активные путем подведения для питания моста энергии от специальных источников питания. Сравнение же измеряемой вели­чины, включенной в измерительное плечо моста, с известным значением меры, включенной в плечо сравнения, производят, как правило, нулевым методом, т. с. уравновешивая мост путем изменения значения меры. Характерной особен­ностью приборов, основанных на методе сравнения, является то, что погреш­ность измерения с их помощью определяется в основном погрешностью мер, которыми сравнивают измеряемые величины. Следовательно, применение мер более высоких классов точности и разрядов обеспечивает повышение точности измерений.

По способу образования показаний приборы подразделяют на показываю­щие и регистрирующие. Показывающие приборы, в свою очередь, подразделяют на аналоговые и цифровые.

Аналоговые приборы — это, как правило, стрелочные приборы с отсчетными устройствами, состоящими из двух элементов — шкалы и указателя, связанного с подвижной частью прибора. Показания таких приборов являются непрерыв­ной функцией измерений измеряемой величины.

Цифровые измерительные приборы автоматически' вырабатывают дискрет­ные сигналы измерительной информации, показания которых представляют в цифровой форме. Отсчет у них производится с помощью механических или элек­тронных цифровых отсчетных устройств.

Цифровые измерительные приборы по сравнению со стрелочными имеют ряд достоинств: процесс измерения автоматизирован, что исключает возникновение погрешностей, обусловленных отметками оператора; время измерения очень мало; результат измерений, выдаваемый в цифровой форме, легко фиксируется цифропечатающим устройством и удобен для ввода в электронно-вычислитель­ную машину, а также для передачи на большие расстояния по радиотелеметри­ческим системам.

Цифровые измерительные приборы широко применяют для измерения элек­трических напряжений, частоты колебаний, параметров электрических и радио­технических цепей и многих других физических величин. В последние годы они все чаще заменяют стрелочные приборы.[6]

Тема 10. Доверительная вероятность и доверительный материал.

Под правильностью измерений понимают качество измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в результатах измерений.

Сходимость — это качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях. Сходимость из­мерений отражает влияние случайных погрешностей.

Воспроизводимость — это такое качество измерений, которое отражает бли­зость друг к другу результатов измерений, выполняемых в различных условиях (в различное время, в различных местах, разными методами и средствами).

Погрешность измерения — это отклонение результата измерения от истин­ного (действительного) значения измеряемой величины.

Погрешность измерений представляет собой сумму целого ряда составляю­щих, каждая из которых имеет свою причину.[7]

Тема 11. Обработка результатов измерений.

Измерительный прибор представляет собой средство измерений, предназна­ченное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Результаты измерений приборами выдаются их отсчетными устройствами. Последние подразделяют на шкальные, цифровые и регистрирующие.

Шкальные отсчетные устройства состоят из шкалы, представляющей собой совокупность отметок и чисел, изображающих ряд последовательных значений измеряемой величины, и указателя (стрелки, электронного луча и др.), связан­ного с подвижной системой прибора.

Основными характеристиками шкалы рассматриваемого отсчетного устрой­ства являются: длина деления шкалы — расстояние между осями или центрами двух соседних отметок (штрихов или точек) шкалы, измеренное вдоль ее базо­вой линии, т. е. линии, проходящей через середины ее самых коротких отметок и цена деления шкалы — значение измеряемой величины, которое вызывает перемещение подвижного элемента отсчетного устройства на одно деление, т.е. модуль разности значений измеряемой величины, соответствующих двум сосед­ним отметкам шкалы.

Чувствительность измерительного прибора — это отношение изменения сигнала А1 на выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины А, т. е.

Из формулы (3) следует, что чем меньше изменение измеряемой величины, отмечаемое прибором, тем выше его чувствительность, т. е. она обратно пропор­циональна цене деления шкалы.

Диапазон показаний измерительного прибора со шкальным отсчетным уст­ройством—это область значений шкалы, ограниченная начальным и конечным ее значениями.

Диапазон измерений — это область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений. Oн огра­ничивается верхними в "нижними пределами измерений. [9]

Тема 12. Математические модели измеряемых величин и средств измерений.

Теория оценке качества результатов измерений и их математическая обработка

Качество измерений характеризуется точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью измерений, а также разме­ром допускаемых погрешностей.

Точность — это качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Высокая точность измерений соот­ветствует малым погрешностям как систематическим, гак и случайным. Точ­ность количественно оценивают обратной величиной модуля относительной по­грешности. Например, если погрешность измерений равна 10⁶, то точность бу­дет равна 10⁶.

Достоверность измерений характеризует степень доверия к результатам измерений. Достоверность оценки погрешностей определяют на основе законов теории вероятностей и математической статистики. Это дает возможность для каждого конкретного случая выбирать средства и методы измерений, обеспечи­вающие получение результата, погрешности которого не превышают заданных границ с необходимой достоверностью.[5,3,4]

1) Рабинович С.Г «Погрешности измерений» Л.:Энергия, 1978

2) Шишкин И.Ф. «Теоретическая метрология» М.: Изд-во стандартов,1990

3) Бурдун Г.Д «Справочник по международной системе единиц» М.:Изд-во стандартов,1977

4) БурдунГ.Д. , Марков Б.Г. «Основы метрологии» М.: Изд-во стандартов,1975

5)Новицкий П.В., Зограф И.А. «Оценка погрешностей результатов измерений» М.:Энергоатомиздат,1985

Дополнительная

6) Якушев А.И, Воронцов Я.Н., Федотов Н.М. «Взаимозаменяемость, стандартизации и технические измерения» М.: Изд-во стандартов,1987

7) Брянский Л.Н., Дойников А.С. «Краткий справочник метролога» М.:Наука,1991

8) Шабалин С.А. «Измерения для всех» М.: Изд-во стандартов,1991

9) Селиванов М.Н., Фридман А.Э., Кудряшова Н.Ф «Качество измерений» Изд-во стандартов,1987

тора.