Н.Г. Розенко Метрология. Методи и средства за измерване на физични величини. Физични величини. Измерване на физични величини. Точност и грешка на измерване. Метод за измерване на физични величини в работата
Глава 1. ИЗМЕРВАНЕ НА ФИЗИЧНИ ВЕЛИЧИНИ
Голямо разнообразие от явления, срещани в практическите дейности, определя широк диапазон от величини, които трябва да бъдат измерени. Основният обект на изследване в метрологията е измерването на физически величини. Във всички случаи на измерване, независимо от стойността, метода и средствата за измерване, има нещо общо, което е в основата на измерванията - това е сравнение на размера на дадено количество с единицата, запаметена от измервателния уред. При всяко измерване използваме експеримент, за да определим количествено физическо количество под формата на определен брой единици, приети за него, т.е. намерете стойността на размера на физическа величина. Измерването се извършва с помощта на скала - предварително съставен подреден набор от последователност от физически величини, приети по споразумение.
Изборът на мерни единици е от голямо значение за сравняване на резултатите, получени с различни методи, средства и при различни условия на измерване. Поради това е обичайно техните размери да се установяват със законодателни средства. Международната система от единици, одобрена от XI Генерална конференция по мерки и теглилки, създаде реални перспективи за пълна унификация на мерните единици във всички страни на световната общност.
Обекти на измерване
Измервателни везни
Скала за измерванеслужи като начална база за измерване на това количество. Това е подреден набор от стойности.
Практическата дейност доведе до формирането на различни видове скали за измерване на физически величини, основните от които са четирите, разгледани по-долу.
1. Скала на подреждане (рангове)е класирана серия – възходяща или низходяща последователност от стойности, които характеризират изследваното свойство. Тя ви позволява да установите връзка на реда по отношение на нарастващи или намаляващи стойности, но няма начин да прецените колко пъти (или колко) една стойност е по-голяма или по-малка от друга. В скалите за поръчка в някои случаи може да има нула (нулева маркировка), основното за тях е липсата на единица за измерване, т.к. неговият размер не може да бъде определен; в тези скали не могат да се извършват математически операции (умножение, сумиране) върху количества.
Пример за подредена скала е скалата на Моос за определяне на твърдостта на телата. Това е скала с референтни точки, която съдържа 10 еталонни (референтни) минерала с различни условни числа на твърдост. Примери за такива скали са още скалата на Бофорт за измерване на силата (скоростта) на вятъра и скалата на земетръса на Рихтер (сеизмична скала).
2. Скала на интервалите (разлики)се различава от мащаба на поръчката по това, че за измерените количества се въвеждат не само отношения на ред, но и сумиране на интервали (разлики) между различни количествени прояви на свойства. Скалите на разликата могат да имат условни нулеви показатели и мерни единици, установени по споразумение. По скалата на интервалите можете да определите колко една стойност е по-голяма или по-малка от друга, но не можете да кажете колко пъти. Интервалните везни измерват време, разстояние (ако началото на пътуването не е известно), температура в Целзий и др.
Скалите за интервали са по-усъвършенствани от скалите за поръчка. В тези скали могат да се извършват адитивни математически операции (събиране и изваждане) върху количества, но не могат да се извършват мултипликативни (умножение и деление).
3.Мащаб на връзкатаописва свойствата на количествата, за които се прилагат отношенията на ред, сумиране на интервали и пропорционалност. В тези скали има естествена нула и по споразумение се задава мерната единица. Скалата на съотношението служи за представяне на резултатите от измерванията, получени в съответствие с основното измервателно уравнение (1.1) чрез експериментално сравнение на неизвестната величина Q с нейната единица [Q]. Примери за съотношителни скали са скалите за маса, дължина, скорост, термодинамична температура.
Скалата на съотношението е най-модерната и най-широко използваната от всички измервателни скали. Това е единствената скала, на която можете да зададете стойността на измерения размер.Всички математически операции са дефинирани върху скалата на съотношението, което ви позволява да правите мултипликативни и адитивни корекции на показанията, отпечатани на скалата.
4. Абсолютен мащабима всички характеристики на мащаба на отношенията, но освен това има естествено недвусмислено определение на мерната единица. Такива скали се използват за измерване на относителни стойности (усилване, затихване, ефективност, отражение, абсорбция, амплитудна модулация и др.). Редица такива скали имат граници между нула и единица.
Скалите от интервали и съотношения се обединяват от термина "метрични скали". Скалата на поръчката се означава като условни скали, т.е. към скали, в които мерната единица не е дефинирана и понякога се нарича неметрична. Абсолютните и метричните скали се класифицират като линейни. Практическото прилагане на измервателните скали се осъществява чрез стандартизиране както на самите скали, така и на мерните единици и, ако е необходимо, на методите и условията за тяхното недвусмислено възпроизвеждане.
Основни единици SI
Основна единицаколичество се нарича единица на основната физическа величина, т.е. величина, която условно се приема за независима от другите величини на системата. При избора на основните единици SI ние изхождахме от факта, че: 1) да покрием всички области на науката и технологиите със системата; 2) създават основа за формиране на производни единици за различни физически величини; 3) да се приемат практически размери на основните единици, които вече са широко разпространени; 4) изберете единици от такива количества, чието възпроизвеждане с помощта на стандарти е възможно с най-голяма точност.
Основните единици SI със съкращения на руски и латински букви са дадени в таблица. 1.1.
Таблица 1.1.
Основни единици SI
Дефинициите на базовите единици, в съответствие с решенията на Генералната конференция по мерки и теглилки, са както следва.
Метъре равна на дължината на пътя, изминат от светлината във вакуум за 1/299 792 458 от секундата.
килограмравна на масата на международния прототип на килограма.
Второе равно на 9 192 631 770 периода на излъчване, съответстващи на прехода между две свръхфини нива на основното състояние на атома цезий-133.
Ампере равна на силата на непроменлив ток, който при преминаване през два успоредни праволинейни проводника с безкрайна дължина и незначителна площ на кръговото сечение, разположени на разстояние 1 m един от друг във вакуум, предизвиква сила на взаимодействие, равна на 2 × 10 -7 на всеки участък от проводника с дължина 1 m N.
Келвинсе равнява на 1/273,16 от термодинамичната температура на тройната точка на водата.
къртицае равно на количеството вещество на система, съдържаща толкова структурни елементи, колкото има атоми във въглерод-12 с маса 0,012 kg.
Канделаравен на интензитета на светлината в дадена посока на източник, излъчващ монохроматично лъчение с честота 540×10 12 Hz, чийто интензитет на светлинна енергия в тази посока е 1/683 W/sr.
Първите три единици SI (метър, килограм и секунда) позволяват формирането на производни единици за измерване на механични и акустични величини. Чрез добавяне на единица температура (келвин) към тях е възможно да се образуват производни единици за измерване на топлинни величини.
Метърът, килограмът, секундата и амперът служат като основа за образуване на производни единици в областта на електрическите, магнитните измервания и измерванията на йонизиращото лъчение, а молът се използва за образуване на единици в областта на физикохимичните измервания.
SI производни единици
Производните единици на Международната система единици се образуват от основните с помощта на уравненията за връзка между величините, в които числовите коефициенти са равни на единица. Например, за да се установи единицата за линейна скорост v, трябва да се използва уравнението за равномерно праволинейно движение
където l е дължината на изминатото разстояние (в метри); t - време (в секунди).
Следователно единицата за скорост в SI - метър в секунда - е скоростта на праволинейно и равномерно движеща се точка, при която тя изминава разстояние от 1 m за 1 s.
Производните единици могат да бъдат кръстени на известни учени. Така на единицата за налягане 1 N/m 2 е дадено специално име - паскал (Pa) на името на френския математик и физик Блез Паскал. Производните единици със специални имена са дадени в табл. 1.2.
Таблица 1.2.
SI производни единици със специални имена
| Стойност | Мерна единица | |||
| Име | Измерение | Име | Обозначаване | Изразяване в единици SI |
| Честота | Т -1 | херц | Hz | от -1 |
| Сила, тегло | LMT-2 | нютон | з | m kg s -2 |
| Натиск, механично напрежение | L -1 MT -2 | паскал | татко | m -1 kg s -2 |
| Енергия, работа, количество топлина | L2MT-2 | джаул | Дж | m 2 kg s -2 |
| Мощност | L2MT-3 | ват | вт | m 2 kg s -3 |
| Количеството електроенергия | TI | висулка | кл | в А |
| Електрическо напрежение, потенциал | L 2 MT -3 I -1 | волт | AT | m 2 kg s -3 A -1 |
| Електрически капацитет | L -2 M -1 T 4 I 2 | фарад | Е | m -2 kg -1 s 4 A 2 |
| Електрическо съпротивление | L 2 MT-3 I-2 | ом | Ом | m 2 kg s -3 A -2 |
| електропроводимост | L -2 M -1 T 3 I 2 | Siemens | См | m -2 kg -1 s 3 A 2 |
| Поток на магнитна индукция | L 2 MT -2 I -1 | weber | wb | m 2 kg s -2 A -1 |
| Магнитна индукция | MT -2 I -1 | тесла | Tl | kg s -2 A -1 |
| Индуктивност | L 2 MT-2 I-2 | Хенри | gn | m 2 kg s -2 A -2 |
| Радионуклидна активност | Т -1 | бекерел | Bq | от -1 |
| Погълната доза радиация | L 2 T-2 | сиво | Гр | m 2 s -2 |
| Еквивалентна доза радиация | L 2 T-2 | сиверт | Св | m 2 s -2 |
Радианите и стерадианите се използват съответно за измерване на плоски и плътни ъгли в SI.
радиан(rad) - единицата за равнинен ъгъл е ъгълът между два радиуса на окръжност, дъгата между които е равна по дължина на радиуса. В градуси един радиан е 57°17"48".
Стерадиан(cp) - единицата за плътен ъгъл е плътният ъгъл, чийто връх се намира в центъра на сферата и който изрязва върху повърхността на сферата площ, равна на площта на квадрат с страна по дължината, равна на радиуса на сферата.
Сами по себе си радианите и стерадианите се използват главно за теоретични изчисления; на практика ъглите се измерват в ъглови градуси (минути, секунди). Именно в тези единици са градуирани повечето гониометрични измервателни уреди.
Кратни и подкратни
Има кратни и подкратни единици на величини. Множествена единицае единица физическа величина, цял брой пъти по-голяма от системната или извънсистемната единица. Например километър единица дължина е равна на 10 3 m, т.е. кратно на метър. подкратна единица- единица от физическа величина, чиято стойност е цяло число пъти по-малка от системна или несистемна единица. Например единицата за дължина милиметър е равна на 10 -3 m, т.е. е плоска.
За удобство при използване на SI единици на физически величини са приети префикси за образуване на имената на десетични кратни и подкратни, табл. 1.3.
Таблица 1.3.
Множители и префикси за образуване на десетични кратни и подкратни и техните имена
| Фактор | Конзола | Префиксно обозначение | |
| Руски | международни | ||
| 10 24 | йота | Y | И |
| 10 21 | зета | З | У |
| 10 18 | exa | д | д |
| 10 15 | пета | П | Р |
| 10 12 | тера | T | T |
| 10 9 | гига | Ж | Ж |
| 10 6 | мега | М | М |
| 10 3 | килограм | да се | к |
| 10 2 | хекто | Ж | ч |
| 10 1 | звукова дъска | да | да |
| 10 -1 | деци | д | д |
| 10 -2 | centi | с | ° С |
| 10 -3 | Мили | м | м |
| 10 -6 | микро | мк | м |
| 10 -9 | нано | н | н |
| 10 -12 | пико | П | стр |
| 10 -15 | фемто | f | f |
| 10 -18 | atto | а | а |
| 10 -21 | зепто | z | ч |
| 10 -24 | йокто | г | и |
В съответствие с международните правила кратните и подкратните на единиците за площ и обем трябва да се образуват чрез добавяне на префикси към оригиналните единици. По този начин степените се отнасят до онези единици, които се получават в резултат на добавяне на префикси. Например, 1 km 2 \u003d 1 (km) 2 = (10 3 m) 2 = 10 6 m 2.
Видове и методи на измерване
Концепцията за измерване
Измерването е най-важното понятие в метрологията. Както бе споменато по-горе, това е процес на намиране на стойността на физическо количество с помощта на специални технически средства (измервателни инструменти). При измерване изпълнете наблюдениязад обекта на измерване с цел своевременно и правилно отчитане. Обект на измерване може да бъде техническо устройство (например камерна пещ), технологични процеси, околна среда, разход на вещества и материали, жизнени показатели на човека и др. Физическата величина, която се избира за измерване, се нарича измервана величина.
В допълнение към измерваното количество, обектът на измерване и съответно резултатът от измерването се влияят от други физически величини, които не се измерват с този измервателен уред. Те се наричат влияещи върху физическите величини. Влияещите величини се разделят на следните групи:
климатични (околна температура, влажност на въздуха, атмосферно налягане);
електрически и магнитни (колебания на електрически ток, напрежение в електрическа верига, честота на променлив ток, магнитно поле);
външни натоварвания (вибрации, ударни натоварвания, йонизиращо лъчение).
Влиянието на тези величини върху резултата от измерването, както и несъвършенството в производството на измервателния уред, субективните грешки на човека-оператор и редица други фактори са причините за неизбежната поява на грешката в измерването.
Процесът на решаване на всеки проблем с измерване включва, като правило, три етапа:
1) подготовка за измервания (избор на методи и измервателни уреди, осигуряване на условия за измерване и др.);
2) извършване на измервания (измервателен експеримент);
3) обработка на резултатите от измерванията.
По време на измервателния експеримент, представен на фиг. 1.2, обектът на измерване и средството за измерване се въвеждат във взаимодействие. В този случай измерената стойност, действаща върху измервателния уред, се преобразува в определен сигнал, който се възприема от човек или различни технически устройства - потребители на измервателна информация.
Ориз. 1.2. Схема на процеса на получаване на измерване
Този сигнал е функционално свързан с измереното физическо количество, така че неговият наречен измервателен сигналинформация. Най-често използваните сигнали са:
сигнали за постоянно ниво (постоянен електрически ток и напрежение, налягане на сгъстен въздух, светлинен поток);
синусоидални сигнали (променлив електрически ток и напрежение);
поредица от правоъгълни импулси (електрически, светлинни).
След това получените информационни сигнали за измерване могат да бъдат обработени, за да се представи най-удобно резултатът от измерването. Такава обработка може да включва статистическа обработка (за множество измервания на количество), допълнителни изчисления (за непреки измервания), закръгляване и други подобни. Въпросите, свързани с обработката на резултатите от измерванията, са разгледани по-долу (раздел 2.4).
Класификация на измерванията
Измерванията са много разнообразни и могат да бъдат класифицирани според различни критерии, най-важните от които са показани на фиг. 1.3.
Ориз. 1.3. Класификация на измерванията
Първо, измерванията се определят от физическата природа на явленията (процесите), в съответствие с които са се развили определени набори от физични величини, които са свързани по природа или приложение в определени области на науката и технологиите - механични, топлинни, физико-химични и други измервания.
На второ място, измерванията, в зависимост от метода за получаване на резултатите от измерването, се разделят на преки и непреки. Директен- Това са измервания, при които желаната стойност на физична величина се намира директно от експериментални данни. В този случай обектът на измерване се въвежда във взаимодействие с измервателния уред и по неговите показания се определя стойността на измерваната величина. Примери за директни измервания: измерване на дължина с линийка, време с часовник, маса с везни, температура с термометър, сила на тока с амперметър и др. Директните измервания включват измервания на по-голямата част от параметрите на процеса.
Непряк- това са измервания, при които желаната стойност се определя въз основа на резултатите от директни измервания, които са функционално свързани с нея. Стойността на Q се намира чрез изчисляване по формулата
Q = f (X 1 , X 2 ,…X m), (1.5)
където X 1 , X 2 ,…X m - стойности, чийто размер се определя от директни измервания
Примери за косвени измервания: определяне на плътността на хомогенно тяло по неговата маса и обем, електрическото съпротивление на проводник чрез падане на напрежение и сила на тока, мощност чрез сила на тока и напрежение.
Индиректните измервания са често срещани в случаите, когато желаната стойност е невъзможна или твърде трудна за директно измерване, или когато директното измерване дава по-малко точен резултат. Тяхната роля е особено голяма при измерване на величини, които са недостъпни за директно експериментално сравнение, например размерите на астрономическия или вътрешноатомния ред.
Според метрологичното предназначение измерванията се делят на технически и метрологични. Техническиизмерванията се извършват с изправни средства за измерване с цел определяне стойността на измерваната величина, както и при нейния контрол. Тези измервания са най-често срещаните и се извършват във всички отрасли на индустрията и науката. Метрологиченизмерванията се извършват с помощта на стандарти, за да се възпроизведат единици от физически величини и да се прехвърли техният размер на работещи измервателни уреди (по време на работа по проверка и калибриране, извършвана от метрологични служби).
Според броя на измерванията, извършени за получаване на резултата, се разграничават единични и многократни измервания. Нежененсе нарича еднократно измерване. Например измерване на времето с часовник. Ако имате нужда от повече увереност в резултата, изпълнете многократниизмервания на една и съща величина, резултатът от които обикновено се приема като средноаритметично на отделните измервания.Обикновено за множество измервания, броят на измерванията n ³3.
Според зависимостта на измерваната величина от времето измерванията се делят на статични и динамични. При статиченизмервания, физическата величина се приема непроменена по време на измерването (например измерване на дължината на част при нормална температура). Ако размерът на дадено физическо количество се променя с течение на времето, тогава такива измервания се наричат динамичен(например измерване на разстоянието до земната повърхност от спускащ се самолет).
В зависимост от точността на използваните средства за измерване и условията на измерване те се делят на равноточни и неравноточни. Еквивалентеннаречени измервания на количества, направени със същата точност на измервателни уреди при същите условия със същата грижа. Ако измерванията са извършени с измервателни уреди с различна точност и (или) при различни условия, тогава те се наричат неравен.
В допълнение към показаните на фиг. 1.3. характеристики на класификацията на измерванията за конкретни случаи, ако е необходимо, могат да се използват други. Например, измерванията могат да бъдат подразделени в зависимост от мястото на изпълнение на лабораторни и промишлени; в зависимост от формата на представяне на резултатите - на абсолютни и относителни.
Горните измервания могат да се извършват по различни методи, т.е. начини за решаване на проблема с измерването.
Методи за измерване
Метод на измерванее техника или набор от техники за сравняване на измерена величина с нейната единица в съответствие с прилагания принцип на измерване. Под принцип на измерванеразбират физическите ефекти (феномени), лежащи в основата на измерванията. Например измерване на температурата с помощта на термоелектричния ефект. Методът на измерване обикновено се определя от дизайна на измервателните уреди.
Има много методи за измерване и с развитието на науката и технологиите броят им се увеличава. Всяка физическа величина може да бъде измерена, като правило, по няколко метода. За да ги систематизираме, е необходимо да идентифицираме общи характерни черти. Една от тези характеристики е наличието или липсата на мярка при измерване. В зависимост от това се разграничават два метода на измерване: методът на пряката оценка и методът на сравнение с мярката (фиг. 1.4). мярканарича се измервателен уред, предназначен да възпроизвежда и (или) съхранява физическо количество с едно или повече определени измерения, чиито стойности са изразени в установени единици и са известни с необходимата точност. За повече информация относно видовете мерки вижте точка 3.1.
Ориз. 1.4. Класификация на методите за измерване
Най-често метод на пряка оценка. Същността му се състои в това, че стойността на измерената стойност се определя директно от устройството за четене на измервателното устройство, например измерване на напрежение с волтметър, претегляне на товар върху пружинен баланс (фиг. 1.5). В този случай масата на товара X се определя въз основа на трансформацията на измерването от стойността на деформацията d на пружината.
Ориз. 1.5. Схема на измерване по метода на пряката оценка
Измерванията, използващи метода на директна оценка, обикновено са прости и не изискват високи умения на оператора, тъй като не е необходимо да се създават специални измервателни настройки и да се извършват сложни изчисления. Въпреки това, точността на измерванията най-често е ниска поради влиянието на въздействащите величини и необходимостта от калибриране на инструменталните везни.
Най-многобройната група инструменти, използвани за измерване чрез пряка оценка, са показващите (включително стрелковите инструменти). Те включват манометри, динамометри, барометри, амперметри, волтметри, ватметри, разходомери, течни термометри и много други. Измерванията, използващи интегриращ брояч или записващо устройство, също се наричат методи за директна оценка.
За по-точни измервания се дава предпочитание на метод за сравнение на мерките, при което измерената стойност се намира чрез сравнение със стойността, възпроизведена от мярката. Отличителна черта на този метод е прякото участие на мярката в процеса на измерване.
Методите за сравнение, в зависимост от наличието или отсъствието при сравняване на разликата между измерената стойност и стойността, възпроизведена от мярката, се разделят на нулеви и диференциални. И в двата метода се разграничават методите на противопоставяне, заместване и съвпадение.
Метод на нулево измерване -това е метод за сравнение с мярка , при което нетният ефект на измерваната величина и мярката върху компаратора е намален до нула. В този случай стойността на измереното количество се приема равна на стойността на мярката. Съвпадението на стойностите на измерената стойност и мярката се отбелязва с помощта на нулев указател (нулев индикатор). Примери за метод на нулево измерване: претегляне на везни с равно рамо; измерване на съпротивление, индуктивност и капацитет с помощта на балансиран мост; измерване на температурата в оптичен пирометър с помощта на стандартна лампа с нажежаема жичка (съответно везни, галванометър и човешко око са нулеви стрелки).
Диференциален метод на измерване(наричан още разлика) е метод за сравнение с мярка, при който измерената стойност се сравнява с мярката и се измерва разликата между тези две стойности. Мярката трябва да има стойност, малко по-различна от стойността на измерваното количество. Пример за диференциален метод: измерване на дължината на част чрез разликата между измерената дължина и крайната мярка за дължина (в областта на линейните и ъглови измервания този метод се нарича относителен); измерване на съпротивление, индуктивност и капацитет с помощта на небалансиран мост; претегляне на неравни везни. Използването на нулев указател в този метод не е необходимо.
Контрастен методсе състои в това, че измерената стойност и стойността, възпроизведена от мярката, едновременно действат върху сравнителното устройство, с помощта на което се установява съотношението между тези величини. Пример за метода на нулевата опозиция е претеглянето на товар X на скала с равно рамо (фиг. 1.6, а), когато измерената маса на товара X е равна на масата на тежестите, които го балансират. Състоянието на равновесие се определя от позицията на стрелката на нулевия индикатор (тя трябва да е на нулевата отметка). При претегляне на товар в случай на метода на диференциалното противопоставяне, масата на товара X се балансира от масата на тежестта и силата на еластичната деформация на пружината (фиг. 1.6, b), чиято стойност е отчетете от скалата на устройството. Масата на товара се определя като сбор от масата на тежестта и показанията, преброени на скалата.
 |
| а) |
 |
| б) |
Ориз. 1.6. Схема на измерване чрез сравнение с мярка: a - нула, b - диференциал
Методът на противопоставянето се използва широко за измерване на различни физически величини. По правило той осигурява по-голяма точност на измерване от метода на директна оценка, като намалява влиянието върху резултата от измерването на грешката на измервателния уред и въздействащите величини.
Разновидностите на метода на сравнение с мярка включват метод на заместванешироко използвани в практиката на точни метрологични изследвания. Същността на метода е, че измерената стойност се заменя с мярка с известна стойност на стойността, т.е. измерената стойност и мярката действат последователно върху измервателния уред. При нулевия метод измереното количество се заменя изцяло с мярката и резултатът от измерването се приема равен на стойността на мярката. При диференциалния метод не е възможно да се извърши пълно заместване и за да се получи стойността на измерваната величина, стойността на мярката трябва да се добави към стойността, с която се е променило показанието на уреда.
Поради факта, че измерената стойност и мярката са включени една след друга в една и съща част от измервателната верига на инструмента, точността на измерване е значително повишена в сравнение с измерванията, извършени с други разновидности на метода за сравнение, където асиметрията на веригите, в които са включени сравняваните величини, води до възникване на системни грешки. Методът на заместване често се използва при електрически измервания с помощта на AC мостове.
Метод на съответствиее вид метод за сравняване на мярка, при който разликата между измерената стойност и стойността, възпроизведена от мярката, се измерва чрез съвпадение на скални знаци или периодични сигнали. Според принципа на метода на съвпадението се изгражда нониус, който е част от редица измервателни уреди (например дебеломер).
Освен разгледаните методи за измерване се различават още контактни и безконтактни, в зависимост от наличието (или отсъствието) на пряк контакт между чувствителния елемент на измервателния уред и обекта на измерване. Примери за контактен метод са измерване на диаметъра на вала с дебеломер, измерване на телесната температура с термометър. Примери за безконтактен метод са измерване на температурата в доменна пещ с пирометър, измерване на разстоянието до обект с радар.
Грешки при измерване
Резултатът от измерването на дадено количество зависи от много фактори: изборът на метод и измервателен уред, условията за неговото прилагане (например температура, налягане, влажност на околната среда), методът за обработка на резултатите от измерването, квалификацията на оператора извършване на измерванията и т.н. Тези фактори водят до разлика в стойността на резултата от измерването на дадено количество и неговата истинска стойност, т.е. до грешка. Една от основните задачи на метрологията е разработването на методи за определяне на грешките при измерване.
В зависимост от степента на приближаване до обективно съществуващата стойност на дадено количество, трябва да се прави разлика между истинската стойност на количеството и резултата от неговото измерване, както и неговата действителна стойност.
истинска стойност X и количествата назовават стойността, която идеално характеризира съответната физическа величина в качествено и количествено отношение. Тя може да бъде получена само в резултат на безкраен процес на измервания с безкрайно усъвършенстване на методи и измервателни уреди.
Резултат от измерването X meas е стойността, получена чрез измерването й с помощта на специфични методи и измервателни инструменти.
Грешка в измерването(или грешка при измерване) D е отклонението на резултата от измерването от истинската стойност на измереното количество, т.е.
D \u003d X meas - X и.
Но тъй като истинската стойност на измереното количество е неизвестна, грешките на измерването също са неизвестни, следователно на практика за определяне на грешката се използва така наречената реална стойност на количеството, която се използва за заместване на истинската стойност.
Истинска стойност X d стойности – това е стойност, получена експериментално и толкова близка до истинската стойност, че може да се използва вместо нея в дадения проблем с измерването. Действителната стойност се установява с по-точни методи и измервателни уреди. Колкото по-висока е точността на средствата и метода на измерване, чрез които се определя X d, толкова по-уверено се счита, че той е близък до истината. Следователно на практика грешката на измерване D (тук имаме предвид абсолютната грешка) се намира по формулата
D \u003d X meas - X d (1,6)
Невъзможно е напълно да се премахнат грешките, но те могат да бъдат намалени с помощта на методите, разгледани по-долу.
Точност на резултата от измерването- това е една от най-важните характеристики (показатели) на качеството на измерване, отразяваща близостта до нула на грешката на резултата от измерването. В допълнение, показателите за качеството на измерванията са сходимостта, възпроизводимостта, коректността и надеждността на резултатите от измерванията, които ще бъдат разгледани по-долу.
Правилото на трите сигми
Характерно свойство на нормалното разпределение е, че около 68% от всички резултати от измерванията му са в интервала ± 1s]. В интервала ± 2s] - 95%. В интервала ± 3s] - 99,73% (фиг. 1.12). Следователно почти всички резултати от измерванията са в интервала 6s (три s във всяка посока от M[X]). Извън този интервал могат да бъдат открити 0,27% от общия брой данни (приблизително три от хиляда измервания).
Ориз. 1.12. Илюстрация на правилото три сигма
От това следва, че ако някоя стойност на величината надхвърли ±3 s, тогава с голяма вероятност тя може да се счита за грешна.
Въз основа на това, формулиран правило три сигма: ако при многократни измервания (n> 25 ... 30) на една и съща стойност с постоянен размер, съмнителният резултат X som от отделно измерване (максимум или минимум) се различава от средната стойност с повече от 3 s, тогава с a вероятност от 99,7% е погрешно, т.е.
ако > 3s, (1.12)
тогава X съмнение е пропуск; той се изхвърля и не се взема предвид при по-нататъшната обработка на резултатите от измерването.
Законът за нормалното разпределение работи, когато броят на резултатите от измерването е n = ¥. В действителност се получават краен брой измервания, които се подчиняват на закона за разпределение на Стюдънт. При n>25 разпределението на Student клони към нормалното.
Глава 2. ИЗМЕРВАЩИ УРЕДИ
Един от най-важните елементи на процеса на измерване, който ви позволява директно да получите информация за измерване, е измервателен инструмент. Всеки ден се извършват огромен брой измервания с помощта на цяла "армия" от различни измервателни уреди. Има много от тях, те могат да бъдат лесни за използване, като линийка, или могат да бъдат сложни устройства, които изискват висококвалифицирана поддръжка, като радионавигационна система. Независимо от сложността, предназначението и принципа на действие, всички те изпълняват една и съща функция - сравняват неизвестния размер на физическа величина с нейната единица. В същото време е важно измервателният уред „умело“ да съхранява (и възпроизвежда) единица физическа величина по такъв начин, че да бъде изпълнено изискването за неизменност на размера на запаметената единица във времето. Именно това "умело съхранение" отличава измервателните уреди от другите технически средства. По този начин, измерващ инструменте техническо средство (или техен комплекс), предназначено за измервания, имащо нормализирани метрологични характеристики, възпроизвеждащо и (или) съхраняващо единица физическа величина, чийто размер се приема за непроменен (в рамките на
Основните критерии за избор на метод за измерване, използван в конкретен случай, включват вида на измерваното количество, неговите размери, необходимата точност на резултата, както и необходимата скорост на процеса на измерване. В момента е разработено огромно разнообразие от методи за измерване и техният брой нараства с развитието на науката и технологиите. Помислете за кратка класификация на измерванията според такъв параметър като метод за получаване на числената стойност на количеството, което се измерва. Според метода за получаване на числено изражение всички измервания могат да бъдат разделени на три големи групи: преки, непреки и кумулативни, съчетаващи някои характеристики на предходните две групи методи.
Директните измервания са тези, при които желаните стойности на количествата се намират директно от експериментални данни. Типичен пример за директни измервания е измерването на маса с равнораменна или циферблатна везна, дължина - с помощта на различни линейни мерки, температура - с устройство, наречено термометър.
Непреките измервания се наричат такива измервания, по време на които стойността на дадено количество се намира въз основа на вече известната връзка между желаното и количествата, които са били подложени на преки измервания. Например косвените измервания включват измервания на плътността на тялото по отношение на неговите геометрични размери и маса или електрическо съпротивление по отношение на силата на тока и измервания на спада на напрежението.
Кумулативни - това са измервания, при които се измерват няколко величини с едно и също име, докато стойността на желаното количество се намира чрез решаване на система от уравнения, получена в резултат на директни измервания на различни комбинации от тези величини (говорим за например за измервания, при които според известна маса на едно от теглата, както и резултатите от сравнения на масите на различни комбинации от тегла, се установяват масите на всички тегла от комплекта).
Поради простотата и високата скорост на изпълнение, директните измервания са най-широко използвани в практиката. Помислете за основните методи за извършване на такива измервания:
Метод за пряка оценка, чиято същност е да се определи стойността на количество с помощта на специално устройство за отчитане на измервателно устройство (например при измерване на налягането това устройство за отчитане ще бъде пружинен манометър, силата на електрическия ток - амперметър, маси - циферблатни везни);
Метод за сравнение с мярка, при който измерената стойност се сравнява със стойността, която се възпроизвежда от мярката (например, този метод се среща при измерване на маса с лостова везна с балансирани тежести);
- диференциален метод, основан на сравнение с мярка и отчитащ ефекта върху измервателното устройство на разликата между измерените и известните стойности, която се възпроизвежда от произволна мярка;
По назначаване SI се разделят на следните групи:
- мерки;
- измервателни преобразуватели;
- измервателни инструменти;
- измервателни инсталации;
- измервателни системи.
мярканаречен SI, предназначен да възпроизвежда и (или) съхранява физическо количество от един или повече дадени размери, стойностите на които са изразени в установени единици и са известни с необходимата точност.
Мерките са:
недвусмислен- възпроизвеждане на физическа величина със същия размер (тегло).
полисемантичен- възпроизвеждане на редица еднакви имена с различни размери (измервателна линийка).
Комплекти за измерване- набор от мерки, използвани не само поотделно, но и в различни комбинации, за да се възпроизведат редица подобни количества с различни размери (набор от теглилки, набор от крайни мерки).
Магазини за измерване- набор от мерки, комбинирани в едно конструктивно цяло, със специални превключватели, свързани с четящо устройство.
Линейни мерки- това са мерки, чийто размер се определя от разстоянието между осите на два измервателни хода.
Измервателни мерки- това са мерки, чийто размер се определя от разстоянието между две плоски взаимно успоредни стени на метален паралелепипед.
Стандартни пробипредставляват мярка за възпроизвеждане на единица стойност, характеризираща свойствата или състава на веществата и материалите (например проби за твърдост, грапавост, проби от стомана с удостоверено съдържание на химични елементи).
Моделни вещества- това са мерки, които са вещества с известни свойства, които са възпроизводими при условията на приготвяне, посочени в одобрената спецификация („чиста“ вода, „чисти“ газове, „чисти“ метали).
Измервателен преобразувател- това е MI, който служи за генериране на измервателна информация във форма, удобна за предаване на разстояние, съхранение, обработка, но не подлежи на пряко възприемане от наблюдателя.
Измервателните преобразуватели се класифицират според редица критерии.
По местоположение в измервателната верига преобразувателите се разделят на първични и междинни. Ако входната стойност на преобразувателя е измерена физическа величина, тогава измервателният преобразувател се нарича първичен. Структурно изолиран първичен преобразувател, от който се получават измервателни сигнали, се нарича сензор. Сензорът може да бъде поставен на значително разстояние от измервателния уред, който приема неговите сигнали. Междинните преобразуватели се намират в измервателната верига след първичната.
Според вида на входните и изходните стойности измервателните преобразуватели се разделят на:
- аналогов, преобразуващ една аналогова стойност в друга аналогова стойност;
- към аналогово-цифрови (ADC), предназначени за преобразуване на аналогов измервателен сигнал в цифров код;
- цифрово-аналогов (DAC), предназначен да преобразува цифров код в аналогова стойност.
Измервателният преобразувател се нарича предавателен преобразувател, ако е предназначен за дистанционно предаване на сигнал от измервателна информация. Примери за това са индуктивни или пневматични предаватели. Измервателен преобразувател, предназначен да променя стойност с определен брой пъти, се нарича мащабен (например измервателен токов трансформатор, делител на напрежение, измервателен усилвател).
Измервателен уред- това е измервателен уред, предназначен да генерира сигнал за измервателна информация във форма, достъпна за възприятието на наблюдателя.
Измервателните инструменти представляват най-голямата група от SI и се класифицират по различни критерии. Най-разпространени са класификациите според вида на блоковата диаграма и метода за издаване на измервателна информация.
Според вида на блоковата схема устройствата се разделят на устройства с директно действие и устройства за сравнение.
В устройствата с директно действие се осигуряват едно или повече преобразувания на измервателни информационни сигнали хкъм изходната стойност Yв една посока от вход към изход, т.е. без обратна връзка. Примери за устройства с пряко действие са манометри, живачно-стъклени термометри, амперметри и др.
Устройствата за сравнение са измервателни устройства, предназначени за директно сравнение на измерената стойност хсъс стойността x0,и стойност на разликата DX = X - X 0използвани за получаване на резултата от измерването. Примери за устройства за сравнение са равнораменни везни, електрически измервателен потенциометър (компенсатор), компаратор за линейни мерки и др. При устройствата за сравнение мярката присъства в процеса на всяко измерване.
Според метода на издаване на измервателна информация средствата за измерване се разделят на показващи и записващи.
Показващите уреди позволяват отчитане на показанията; регистриране - броене, както и регистриране на измерената стойност като функция на времето или като функция на друга величина.
Показващите инструменти включват аналогови и цифрови инструменти.
Отчитащите устройства на аналоговите устройства се състоят от скала и стрелка, като показанията на тези устройства са непрекъсната функция на измерената стойност.
Скала на измервателните уреди- част от SI показващото устройство, което е подредена серия от знаци заедно с номерацията, свързана с тях. Знакът на скалата е знак на скалата SI (тире, зъб, точка и т.н.), съответстващ на някаква стойност на физическа величина. За цифровите везни самите числа са еквивалентни на знаците на скалата.
Стойност на делението на скалатае разликата между стойностите на величината, съответстващи на две съседни марки по скалата SI. Маркировките се нанасят върху скалата при калибриране на устройството, т.е. когато на неговия вход се подаде сигнал от изхода на примерна многозначна мярка. Някои от знаците на скалата са нанесени с цифрови стойности на количеството, подадено от изхода на мярката. Тези знаци стават цифрови.
Скалата SI има начална и крайна стойност. Те съответстват на най-малките и най-големите стойности на измерваната величина, които могат да бъдат отчетени по скалата SI. При измерване показанието се отчита от показващото устройство. Всеки SI се характеризира с диапазон от показания и диапазон от измервания. Диапазон на индикацияе диапазонът от стойности на скалата SI, ограничен от нейните начални и крайни деления . Обхват на измерванесе нарича диапазонът от стойности на физическо количество (PV), в рамките на който се нормализират границите на допустимата грешка на SI. Стойностите на количеството, които ограничават обхвата отдолу и отгоре (отляво и отдясно), се наричат съответно долна и горна граница на измерване. Диапазонът на измерване винаги е по-малък или равен на диапазона на отчитане.
Настройка за измерване- това е набор от функционално интегрирани измервателни инструменти (мерки, измервателни преобразуватели, измервателни инструменти), предназначени за генериране на измервателни информационни сигнали и разположени компактно.
Измервателните инсталации се използват в лаборатории за научни изследвания, за контрол на качеството на материалите.
Настройка за измерване- набор от измервателни преобразуватели, измервателни уреди и спомагателни устройства, свързани помежду си чрез комуникационни канали, предназначени да генерират информация, удобна за автоматична обработка, предаване и използване в системи за управление.
Всички SI според изпълняваните метрологични функции са разделени на стандарти, работни стандарти и работни SI.
Стандартна единица за физическо количество- това е SI (или набор от SI), който осигурява възпроизвеждането и съхранението на единица, за да прехвърли нейния размер към измервателни уреди от по-ниско ниво съгласно схемата за проверка, официално одобрена по предписания начин. Работният стандарт е SI, който служи за проверка или калибриране на други измервателни уреди спрямо тях и е одобрен като работен стандарт.
Проверка- това е определянето от метрологичния орган на грешката на средствата за измерване и установяването на неговата годност за употреба.
Работни измервателни уредие SI, използван при технически измервания.
Схема за проверка- това е надлежно одобрен документ, който установява средствата, методите и точността на прехвърляне на размера на единиците от стандарта към работния SI. Основната част от схемата за проверка е метрологичната верига за прехвърляне на размери на единици от първичния еталон от работещ измервателен уред.
Методи за измерване.
Методи за измерване (MI)- начин за получаване на резултат от измерване чрез използване на принципите и средствата за измерване.
МИ се разделят на:
· Метод на пряка оценка - стойността на измерваната величина се взема директно от отчитащото устройство на измервателния уред с директно действие.
Предимство е скоростта на измерване, което го прави незаменим за практическа употреба. Недостатъкът е ограничената точност.
· Метод за сравнение на мерките – измерената стойност се сравнява със стойността, възпроизведена от мярката. Пример: измерване на дължина с линийка.
Предимството е по-голямата точност на измерване, отколкото при метода на директна оценка. Недостатъкът е голямото време, изразходвано за избор на мерки.
· опозиционен метод - измерената величина и възпроизвежданата от мярката стойност действат едновременно на сравнителното устройство, с помощта на което се установява съотношението между тези величини.
Например, претеглянето на везни с еднакви рамена, в които се измерва масата, се определя като сбор от масата на тежестите, които го балансират, и показанията на скалата на везните.
Предимството е намаляване на влиянието върху резултатите от измерването на фактори, които влияят върху изкривяването на измервателните информационни сигнали. Недостатъкът е увеличаването на времето за претегляне.
· Диференциален (разликов) метод - характеризира се с разликата между измерените и известни (възпроизводима мярка) стойности. Например измерване чрез сравнение с работен стандарт на компатор, извършено при проверка на мерки за дължина.
Предимството е, че резултатите се получават с висока точност, дори и с относително груби средства за измерване на разликата.
· Нулев метод - метод за сравнение с мярка, при който произтичащият ефект от излагането на сравнителното средство е сведен до нула.
· Метод на съответствие - метод за сравнение с мярка, при който разликата между стойностите на изискваната и възпроизводима мярка за количества се измерва с помощта на съвпадението на скални знаци или периодични сигнали.
Предимство - методът ви позволява значително да увеличите точността на сравнение с мярката. Недостатъкът е цената за придобиване на по-сложни медии, необходимостта операторът да има професионални умения.
· метод на заместване - основава се на сравнение с мярка, при което измерената стойност се заменя с известна стойност, възпроизводима мярка, запазвайки всички условия непроменени. Например, претегляне с алтернативно поставяне на измерената маса и теглилки върху една и съща везна.
Предимства - грешката на измерване е малка, тъй като се определя основно от грешката на мярката и мъртвата зона на уреда (нула - индикатор). Недостатъкът е необходимостта от прилагане на многозначни мерки.
· Индиректен метод на измерване - измерване на физическото количество на един артикул, свързано с друго желано количество, определена функционална зависимост, с последващо изчисление чрез решаване на контрола. Индиректните методи се използват широко в методите за химично изпитване.
Предимства - възможност за измерване на количества, за които няма методи за пряка оценка или те не дават надеждни резултати или са свързани със значителни разходи. Недостатъци - увеличено време и разходи за измерване.
Физически вени. Единици за физически величини
Широкото развитие и разпространение на методите и средствата на метрологията доведе до създаването на цели системи от мерни единици на държавни и международни организации. В момента на всеобща глобализация ролята на метрологията и сложността на задачите нараства значително. Всяка качествена характеристика на физически обект се нарича физическа величина (дължина, маса, скорост). Физическата величина има определен размер, който се изразява в мерна единица. Сред физическите величини има основни и преобразувани от основните. И двете физически величини образуват система от единици. В различни времена имаше различни системи от мерни единици. Система ISS - метър, килограм, секунда. Системата CGS включва сантиметър, грам, секунда и т.н. Въз основа на тях е изградена Международната система от единици (SI), която е приета на XI Международна конференция по мерки и теглилки през 1960 г. за въвеждане на единство в мерните единици в целия свят.
SI има седем основни единици, които могат да се използват за измерване на всички механични, електрически, магнитни, акустични, светлинни и химични параметри, както и характеристиките на йонизиращото лъчение. Основните SI единици са:
метър (m) - за измерване на дължина;
килограм (kg) - за измерване на маса;
секунда (s) - за измерване на времето;
ампер (A) - за измерване на силата на електрически ток;
келвин (K) - за измерване на термодинамична температура;
mol (mol) - за измерване на количеството вещество;
кандела (cd) - за измерване на интензитета на светлината.
SI прие нова дефиниция на единицата за дължина - метър. Преди въвеждането на SI, линейните мерки, изработени от платинено-иридиева сплав и имащи X-образно напречно сечение, са били използвани като международни и национални стандарти на метъра. Метърът се определя при температура 20 ° C между осите на двата средни хода на мярката с точност ± 0,1 микрона.
В новата система от единици 1 m се изразява в дължините на вълните на светлинните вълни на атома криптон, т.е. той се свързва с естествена величина. Сега един метър е дължина, равна на 1 650 763,73 вакуумни дължини на вълната на радиация, съответстващи на оранжевата линия на спектъра на криптон-86. С новия еталон дължина от 1 м вече се възпроизвежда с грешка от 0,002 микрона, което е 50 пъти по-малко от грешката на стария изкуствен еталон на метъра.
Метод на измерване– прием или набор от методи за сравняване на измерената физическа величина и нейната единица в съответствие с реализирания принцип на измерване.
Методът на измерване обикновено се определя от дизайна на измервателните уреди. Има няколко основни метода за измерване: директна оценка, сравнение с мярка, диференциал или разлика, нула, контакт и безконтакт.
Измервателният инструмент и методите за неговото използване заедно образуват метода на измерване. Според метода за получаване на стойностите на измерените величини се разграничават два основни метода за измерване: методът на пряка оценка и методът на сравнение с мярката.
Метод на пряка оценка- метод на измерване, при който стойността на дадена величина се определя директно от отчитащото устройство на измервателно устройство с директно действие.
Например, измервайки дължината с линийка, размерите на частите - с микрометър, шублер, получаваме стойността на размера
Фигура 7.1– Схема на измерванията чрез сравняване с мярка
Метод за сравнение на мерките- метод на измерване, при който измерената стойност се сравнява със стойността, възпроизведена от мярката. Например за измерване на височината Лдетайли 1 (фиг.7.1) миниметър 2 фиксирани в стелажа. Стрелката на миниметъра е настроена на нула според всяка проба (набор от крайни мерки 3), висок Н,равна на номиналната височина Лизмерена част. След това преминете към измерване на партиди от части. Относно точността на размерите Лсъди се по отклонението ±∆ на стрелката на миниметъра спрямо нулевата позиция.
В зависимост от връзката на показанията на инструмента с измереното физическо количество, измерванията се разделят на преки и непреки, абсолютни и относителни.
При директенпри измерването желаната стойност на количеството се намира директно в процеса на измерване, например измерване на ъгъл с гониометър, диаметър - с шублер, маса - на скала за набиране.
При непрякизмерване, стойността на дадено количество се определя въз основа на връзката между това количество и количествата, подложени на директни измервания, например определяне на средния диаметър на резбата с помощта на три проводника на вертикален уред за измерване на дължината, ъгълът с помощта на синусоидална линийка и др.
При измерване на линейни величини, независимо от разглежданите методи, има контактни и безконтактни методи за измерване.
метод за контактсе извършва чрез контакт между измервателните повърхности на инструмента или устройството и проверявания детайл. Неговият недостатък е необходимостта от определено усилие по време на измерване, което причинява допълнителни грешки (например измервания с шублер, микрометър, лостово-механични устройства).
безконтактен методтой е лишен от недостатъка на контакта, тъй като по време на процеса на измерване няма контакт между контролния инструмент и продукта. Това е тест на проектори, микроскопи, използване на пневматични устройства.
Измерването на повърхностите на детайли със сложна геометрична форма (резби, шлицови връзки) може да се извършва както елемент по елемент, така и по комплексен метод.
по елементен метод,например нишката със среден диаметър се проверява с помощта на трижилен метод, външният диаметър се проверява с микрометър, ъгълът на профила се проверява с помощта на универсален микроскоп.
Комплексен методИзползват се при контрол на резби с помощта на резбови тапи и пръстени за завинтване, като същевременно проверяват стъпката, ъгъла на профила и средния диаметър на резбата.
Средствата за измерване (инструменти) се класифицират според тяхното предназначение, структурни и функционални характеристики и технологични особености на производство. В заводи, специализирани работилници и цехове се произвеждат следните групи измервателни уреди.
1. Оптични устройства:
а) инструменти за измерване на дължини и ъгли - измервателни уреди, профилометри, сферометри, инструментални и универсални измервателни микроскопи, линейни измервателни машини, оптични делителни глави, гониометри,
рефрактометри, автоколимационни тръби, катетометри и др.;
б) микроскопи (бинокулярни, интерферентни, биологични и др.);
в) уреди за наблюдение - галилеев и призмен бинокъл, стереотръби, перископи;
г) геодезически инструменти - нивелири, теодолити, светлинни далекомери;
д) призмени и дифракционни спектрални уреди - микрофотометри, интерферометри, спектропрожектори.
2. Лостово-оптични устройства: оптиметри, ултраоптиметри и др.
3. Лостово-механични устройства:
а) всъщност лост (минимери и др.);
б) зъбни колела (индикатори тип часовник и др.);
в) лостово-зъбни (микрометри и др.);
г) лост-винт (индикатор-микрометър);
д) с пружинно предаване (микрокатори и др.).
4. Пневматични инструменти с манометър и ротаметър.
5. Механични устройства:
а) пунктиран, оборудван с нониус (калибрени инструменти и универсални гониометри);
б) микрометрични, базирани на използването на винтова предавка (микрометри, микрометрични вътрешни измервателни уреди, дълбокомери и др.).
6. Електрифицирани устройства (индуктивни, капацитивни, фотоелектрически и др.).
7. Автоматични устройства: контролни и управляващи машини за сортиране, устройства за активно управление и др.
Вид на измервателните уреди- това е набор от измервателни уреди, предназначени за измерване на този вид физическа величина.
Типът измервателни уреди може да включва няколко вида. Например амперметрите и волтметрите (като цяло) са видове измервателни уреди, съответно за силата на електрическия ток и напрежението.
Устройство за четенепоказващото устройство може да има скала и стрелка. показалецтой е направен под формата на стрелка, светлинен лъч и др. Понастоящем широко се използват устройства за четене с цифрова индикация. Мащабпредставлява набор от знаци и някои от тях имат референтни номера или други символи, съответстващи на редица последователни стойности на дадено количество. Разликата между две съседни мащабни марки се нарича мащабно деление.
Скален интервале разстоянието между две съседни скални знаци. Повечето измервателни уреди имат интервал на разделяне от 1 до 2,5 mm.
Фигура 7.2– Мащабни диапазони
Стойност на делението на скалатае разликата в стойностите на количествата, съответстващи на две съседни марки на скалата. Например (вижте фиг.), индикаторът има стойност на делене 0,002 mm.
Първичени крайна стойност на скалата (граница на измерване)- съответно най-малките и най-големите стойности на измереното количество, посочени на скалата, характеризиращи възможностите на скалата на измервателния уред и определящи обхвата на показанията.
1.5 Грешка в измерването и нейните източници
Когато се анализира измерване, истинските стойности на физическите величини се сравняват с резултатите от измерването. Отклонение ∆ на резултата от измерването хот истинската стойност Qизмерената величина се нарича грешка при измерване:
∆=X-Q.
Грешките при измерване обикновено се класифицират според причината за възникването им и според вида на грешките. В зависимост от причините за появата се разграничават следните грешки при измерване.
Грешка в методае компонент на грешката на измерване, която е следствие от несъвършенството на метода на измерване. Общата грешка на метода за измерване се определя от съвкупността от грешки на отделните му компоненти (отчитания на инструмента, крайни измервателни уреди, температурни промени и др.).
Грешка в преброяването- компонент на грешката на измерване, която е резултат от недостатъчно точно отчитане на показанията на измервателния уред и зависи от индивидуалните способности на наблюдателя.
Инструментална грешкае компонентът на грешката на измерване, който зависи от грешките на използваните измервателни уреди. Има основни и допълнителни грешки на измервателния уред. пер основна грешкаприемете грешката на използвания измервателен уред при нормални условия. Допълнителна грешкае сумата от допълнителните грешки на измервателния преобразувател и мярката, причинена от отклонението от нормалните условия.
Ако температурата на изпитвания продукт се различава от температурата, при която се извършва контролът, това ще доведе до грешки, произтичащи от топлинно разширение. За да се избегне появата им, всички измервания трябва да се извършват при нормална температура (+20°C).
Неточност при инсталиране на частв контрола и грешки при инсталиране на устройствотосъщо оказват влияние върху точността на измерване. Например, когато измервате, дебеломерът трябва да бъде поставен перпендикулярно на повърхността, която се измерва. Възможно е обаче да има изкривявания в процеса на измерване, което води до грешки в измерването.
Към изброените грешки могат да се добавят грешки, възникващи при изчисляване на размера от изпълнителя поради негови субективни данни, грешки от липсата на плътност на контакт между измервателните повърхности и продукта.
Всички грешки при измерване са разделени по вид на систематични, случайни и груби.
Под систематиченразбира грешки, които са постоянни или редовно се променят по време на повтарящи се измервания на едно и също количество. Случаенгрешки - компоненти на грешките на измерване, които се променят произволно по време на многократни измервания на една и съща стойност. Да се грубвключват случайни грешки, които са значително по-големи от очакваните при дадените условия на измерване (например неправилно отчитане на скалата, удари и удари на устройството).
Калибриране - установяване на метрологични характеристики на средства за измерване, които не са обект на държавен метрологичен надзор; калибрирането се извършва от лаборатории за калибриране.
Прагът на чувствителност (отклик) е най-малкото увеличение на входната стойност, което предизвиква забележима промяна в изходната стойност.
Елементарна грешка е такъв компонент на грешката, който в даден анализ не е необходимо да се разделя допълнително на компоненти. Няма универсални методи за откриване на системни грешки. Затова се използват различни методи за тяхното намаляване или премахване. Грубите грешки на резултатите от измерването се изключват, като се използва критерият за необичайни резултати, за който вземам интервала спрямо центъра на разпределение в части от стандартното отклонение. Обикновено, ако измерената стойност е по-голяма от 3 σ, тогава такова отклонение се нарича аномално.
За да се осигури метрологично единство на измерванията, метрологичното сертифициране на измервателното оборудване се извършва в измервателни лаборатории.
Проверка- определяне на годността на средството за измерване за използване въз основа на съответствието на експериментално определените метрологични характеристики и контрол с установените изисквания.
Основната метрологична характеристика на измервателния уред, определена по време на проверката, е неговата грешка. По правило се установява въз основа на сравнение на калибрирания измервателен уред с примерен измервателен уред или стандарт, т.е. с по-точен уред, предназначен за проверка.
Има проверки: държавни и ведомствени, периодични и независими, извънредни и инспекционни, комплексни, поелементни и др. Проверката се извършва от метрологични служби, които имат право да правят това по предписания начин. Проверката се извършва от специално обучени специалисти, притежаващи сертификат за право на извършване.
Резултатите от проверката на средствата за измерване, признати за годни за употреба, се формализират чрез издаване на сертификати за проверка, прилагане на знак за проверка и др. Всички средства за измерване, използвани в националната икономика, подлежат на проверка.
В предприятията основното средство за запазване на мерките за дължина са крайните мерки. Всички сервизни средства за измерване подлежат на проверка в контролно-измервателни лаборатории с образцови средства за измерване.
Физични величини. Единици
Физическо количествое свойство, което е качествено общо за много физически обекти, но количествено индивидуално за всеки от тях.
Стойността на физическо количество- това е количествена оценка на размера на физическо количество, представено като определен брой единици, приети за него (например стойността на съпротивлението на проводник е 5 ома).
Разграничете вярностойността на физическо количество, което идеално отразява свойството на обекта, и валиден, намерено експериментално достатъчно близо до истинската стойност, за да се използва вместо това, и измереностойността, отчетена от отчитащото устройство на измервателния уред.
Набор от величини, свързани помежду си чрез зависимости, образуват система от физически величини, в която има основни и производни величини.
Основенфизическо количество е количество, включено в системата и условно прието като независимо от други количества на тази система.
Производнафизическо количество е количество, включено в системата и определено чрез основните количества на тази система.
Важна характеристика на физическото количество е неговият размер (dim). Измерение- това е израз под формата на степенен моном, съставен от произведения на символи на основните физични величини и отразяващ връзката на дадено физическо количество с физическите величини, приети в тази система от количества като основни с коефициент на пропорционалност равно на едно.
Единица за физическа величина -това е специфична физическа величина, определена и приета по споразумение, с която се сравняват други величини от същия вид.
В съответствие с установената процедура е позволено да се използват единици за количества от Международната система от единици (SI), приета от Генералната конференция по мерки и теглилки, препоръчана от Международната организация по законова метрология.
Има основни, производни, множествени, подмножествени, кохерентни, системни и несистемни единици.
Основна единица на системата от единици- единица на основната физическа величина, избрана при изграждане на система от единици.
Метъре дължината на пътя, изминат от светлината във вакуум за времеви интервал от 1/299792458 от част от секундата.
килограм- единица за маса, равна на масата на международния прототип на килограма.
Второ- време, равно на 9192631770 периода на излъчване, съответстващо на прехода между две свръхфини нива на основното състояние на атома Цезий-133.
Ампер- силата на непроменлив ток, който при преминаване през два успоредни праволинейни проводника с безкрайна дължина и незначително малка площ с кръгло напречно сечение, разположени във вакуум на разстояние 1 m един от друг, би причинил сила на взаимодействие, равна на 2 ∙ 10 върху всеки участък от проводника с дължина 1 m -7 N.
Келвин- единица за термодинамична температура, равна на 1/273,16 от термодинамичната температура на тройната точка на водата.
къртица- количеството вещество на системата, съдържаща толкова структурни елементи, колкото има атоми във въглерод-12 с тегло 0,012 kg.
Кандела- интензитет на светлината в дадена посока на източник, излъчващ монохроматично лъчение с честота 540 ∙ 10 12 Hz, чийто енергиен интензитет в тази посока е 1/683 W/sr.
Осигурени са и две допълнителни единици.
радиан- ъгълът между два радиуса на окръжност, дължината на дъгата между които е равна на радиуса.
Стерадиан- плътен ъгъл с връх в центъра на сферата, изрязващ върху повърхността на сферата площ, равна на площта на квадрат със страна, равна на радиуса на сферата.
Производна единица на системата от единици- единица от производна на физическа величина от система от единици, образувана в съответствие с уравнение, свързващо я с основни единици или с основни и вече определени производни. Например единицата за мощност, изразена в единици SI, е 1W = m 2 ∙ kg ∙ s -3.
Наред с единиците SI Законът "За осигуряване на единството на измерванията" позволява използването на несистемни единици, т.е. единици, които не са включени в нито една от съществуващите системи. Обичайно е да се разграничават няколко вида извън систематаединици:
Разрешени единици заедно с единици SI (минута, час, ден, литър и т.н.);
Единици, използвани в специални области на науката и технологиите
(светлинна година, парсек, диоптър, електронволт и др.);
Излезли от употреба единици (милиметър живачен стълб,
конски сили и др.)
Несистемните единици също включват множество и подмножествени мерни единици, които понякога имат свои собствени имена, например единицата за маса е тон (t). В общия случай десетичните, кратните и подкратните единици се образуват с помощта на множители и префикси.
Измервателни инструменти
Под измерващ инструмент(SI) се разбира като устройство, предназначено за измервания и притежаване нормализирани метрологичнихарактеристики.
Според функционалното си предназначение СИ се делят на: мерки, средства за измерване, измервателни преобразуватели, измервателни инсталации, измервателни системи.
Измерете- измервателен уред, предназначен да възпроизвежда и съхранява физическо количество от едно или повече измерения с необходимата точност. Мярката може да бъде представена като тяло или устройство.
Измервателен уред(IP) - инструмент за измерване, предназначен за извличане на информация за измерване и преобразуване
във форма, която може да бъде директно възприета от оператора. Измервателните инструменти обикновено включват
мярка. Според принципа на работа се разграничават аналогови и цифрови IP. Според начина на представяне на измервателната информация средствата за измерване биват показващи или регистриращи.
В зависимост от метода на преобразуване на измервателния информационен сигнал се разграничават устройства за директно преобразуване (директно действие) и устройства за балансиращо преобразуване (сравнение). В устройствата за директно преобразуване измервателният информационен сигнал се преобразува необходимия брой пъти в една посока без използване на обратна връзка. В устройствата за балансиращо преобразуване, заедно с веригата за директно преобразуване, има верига за обратно преобразуване и измерената стойност се сравнява с известна стойност, която е хомогенна с измерената стойност.
В зависимост от степента на осредняване на измерената стойност се разграничават устройства, които дават индикации за моментни стойности на измерената стойност, и интегриращи устройства, чиито показания се определят от времевия интеграл на измерената стойност.
Измервателен преобразувател- измервателен уред, предназначен да преобразува измерена величина в друга величина или измервателен сигнал, който е удобен за обработка, съхранение, допълнителни трансформации, индикация или предаване.
В зависимост от мястото в измервателната верига се разграничават първични и междинни преобразуватели. Първичните преобразуватели са тези, към които се подава измерената стойност. Ако първичните преобразуватели са поставени директно върху обекта на изследване, отдалечен от мястото на обработка, тогава те понякога се наричат сензори.
В зависимост от вида на входния сигнал преобразувателите се делят на аналогови, аналогово-цифрови и цифро-аналогови. Широко използвани са мащабни измервателни преобразуватели, предназначени да променят размера на дадена величина с определен брой пъти.
Настройка за измерване- това е набор от функционално интегрирани измервателни уреди (мерки, измервателни уреди, измервателни преобразуватели) и спомагателни устройства (интерфейси, захранващи устройства и др.), Предназначени за една или повече физически величини и разположени на едно място.
Измервателна система- набор от функционално комбинирани мерки, измервателни преобразуватели, компютри и други технически средства, разположени в различни точки на контролирания обект, с цел измерване на една или повече физични величини.
Видове и методи на измерване
В метрологията измерването се определя като набор от операции, извършвани с помощта на техническо + - средство, което съхранява единица от физическа величина, което прави възможно сравняването на измерената величина с нейната единица и получаване на стойността на тази величина.
Класификацията на видовете измервания според основните класификационни характеристики е представена в таблица 2.1.
Таблица 2.1 - Видове измервания
Директно измерване- измерване, при което първоначалната стойност на величината се намира директно от експерименталните данни в резултат на измерването. Например измерване на ток с амперметър.
непрякизмерване - измерване, при което желаната стойност на дадено количество се намира въз основа на известна връзка между това количество и количествата, които са подложени на директни измервания. Например, измерване на съпротивлението на резистор с помощта на амперметър и волтметър, използвайки връзка, която свързва съпротивлението с напрежението и тока.
Ставаизмерванията са измервания на две или повече различни величини, за да се намери връзката между тях. Класически пример за свързани измервания е намирането на температурната зависимост на съпротивлението на резистора;
Кумулативенизмервания - това са измервания на няколко величини със същото име, при които желаните стойности на количествата се намират чрез решаване на система от уравнения, получена чрез директни измервания и различни комбинации от тези количества.
Например, намиране на съпротивленията на два резистора въз основа на резултатите от измерване на съпротивленията на серийни и паралелни връзки на тези резистори.
Абсолютноизмервания - измервания, базирани на директни измервания на една или повече величини и използване на физически постоянни стойности, например измервания на ток в ампери.
роднинаизмервания - измервания на съотношението на стойността на физическа величина към количеството със същото име или промени в стойността на количеството по отношение на количеството със същото име, взето като първоначално.
Да се статиченизмерванията включват измерване, при което SI работи в статичен режим, т.е. когато неговият изход (например отклонение на показалеца) остава непроменен по време на времето за измерване.
Да се динамиченизмерванията включват измервания, извършвани от SI в динамичен режим, т.е. когато неговите показания зависят от динамични свойства. Динамичните свойства на МИ се проявяват във факта, че нивото на променливо въздействие върху него във всеки момент от времето определя изходния сигнал на МИ в следващ момент от време.
Измервания с възможно най-висока точностпостигнато при сегашното ниво на развитие на науката и технологиите. Такива измервания се извършват при създаване на стандарти и измерване на физически константи. Типични за такива измервания са оценката на грешките и анализът на техните източници.
Техническиизмерванията са измервания, извършвани при определени условия по определена методика и извършвани във всички сектори на народното стопанство, с изключение на научните изследвания.
Наборът от методи за използване на принципа и измервателните уреди се нарича метод на измерване(фиг.2.1).
Всички методи за измерване без изключение се основават на сравняване на измерената стойност със стойността, възпроизведена от мярката (еднозначна или многозначна).
Методът на директна оценка се характеризира с това, че стойностите на измерваната величина се отчитат директно от четящото устройство на уреда за директно измерване. Скалата на устройството е предварително калибрирана с помощта на многозначна мярка в единици на измерената стойност.
Методите за сравнение с мярка включват сравняване на измерената стойност и стойността, възпроизведена от мярката. Най-често срещани са следните методи за сравнение: диференциал, нула, заместване, съвпадение.
Фигура 2.1 - Класификация на методите за измерване
При нулевия метод на измерване разликата между измерената стойност и известната стойност се свежда до нула по време на процеса на измерване, което се записва от високочувствителен нулев индикатор.
При диференциалния метод разликата между измерената стойност и стойността, възпроизведена от мярката, се отчита по скалата на измервателния уред. Неизвестната стойност се определя от известната стойност и измерената разлика.
Методът на заместване предвижда последователно свързване на измерените и известните стойности към входа на индикатора, т.е. измерванията се извършват на два етапа. Най-малката грешка при измерване се получава, когато в резултат на избор на известна стойност индикаторът дава същото показание, както при неизвестна стойност.
Методът за съпоставяне се основава на измерване на разликата между измерената стойност и стойността, възпроизведена от мярката. При измерване се използват съвпадения на скални знаци или периодични сигнали. Методът се използва например при измерване на честота и време с помощта на еталонни сигнали.
Измерванията се извършват с единични или многократни наблюдения. Тук под наблюдение се разбира експериментална операция, извършвана в процеса на измерване, в резултат на която се получава една стойност на величина, която винаги е случайна. При измервания с множество наблюдения е необходима статистическа обработка на резултатите от наблюдението, за да се получи резултатът от измерването.