Лекции по "Инженерной деятельности"

 

41 Совокупные и совместные методы измерения, непосредственные и сравнительные оценки результатов измерений.

Совокупные - это такие измерения, при которых значения измеряемых величин определяют по результатам повторных измерений одной или нескольких одноименных величин при различных сочетаниях мер или этих величин. Значение искомой величины определяют решением системы уравнений, составляемых по результатам нескольких прямых измерений. Примером совокупных измерений является определение массы отдельных гирь набора, т.е. проведение калибровки по известной массе одной из них и по результатам прямых измерений и сравнения масс различных сочетаний гирь. Рассмотрим пример совокупных измерений, который заключается в проведении калибровки разновеса, состоящего из гирь массой 1, 2, 2*, 5, 10 и 20 кг. Ряд гирь (кроме 2*) представляет собой образцовые массы разного размера. Звездочкой отмечена гиря, имеющая значение, отличное от точного значения 2 кг. Калибровка состоит в определении массы каждой гири по одной образцовой гире, например по гире массой 1 кг. Меняя комбинацию гирь, проведем измерения. Составим уравнения, где цифрами обозначим массу отдельных гирь, например 1обр обозначает массу образцовой гири в 1 кг, тогда: 1 = 1обр + a; 1 + 1обр = 2 + b; 2* = 2 + c; 1 + 2 + 2* = 5 + d и т.д. Дополнительные грузы, которые необходимо прибавлять к массе гири указанной в правой части уравнения или отнимать от неё для уравновешивания весов, обозначены a, b, c, d . Решив эту систему уравнений, можно определить значение массы каждой гири.

Совместные - это измерения, производимые одновременно двух или нескольких разноименных величин для нахождения функциональной зависимости между ними. Примерами совместных измерений являются определение длины стержня в зависимости от его температуры или зависимости электрического сопротивления проводника от давления и температуры.

В зависимости от способа определения значений искомых величин различают два основных метода измерений метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой.

Метод непосредственной оценки - метод измерения, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. Примерами таких измерений являются: измерение длины с помощью линейки, размеров деталей микрометром, угломером, давления манометром и т. д.

Метод сравнения с мерой - метод измерения, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, для измерения диаметра калибра оптиметр устанавливают на нуль по блоку концевых мер длины, а результат измерения получают по показанию стрелки оптиметра, являющегося отклонением от нуля. Таким образом, измеряемая величина сравнивается с размером блока концевых мер.Существуют несколько разновидностей метода сравнения:

а) метод противопоставления, при котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, позволяющий установить соотношение между этими величинами, например измерение сопротивления по мостовой схеме с включением в диагональ моста показывающего прибора;

б) дифференциальный метод, при котором измеряемую величину сравнивают с известной величиной, воспроизводимой мерой. Этим методом, например, определяют отклонение контролируемого диаметра детали на оптиметре после его настройки на нуль по блоку концевых мер длины;

в) нулевой метод - также разновидность метода сравнения с мерой, при котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля. Этим методом измеряют электрическое сопротивление по схеме моста с полным его уравновешиванием;

г) при методе совпадений разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, определяют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов. Например, при измерении штангенциркулем используют совпадение отметок основной и нониусной шкал.

 

42 средства измерений. меры, измерительные приборы, установки и системы.

Средство измерения (СИ) - это техническое средство или совокупность средств, применяющееся для осуществления измерений и обладающее нормированными метрологическими характеристиками. При помощи средств измерения физическая величина может быть не только обнаружена, но и измерена.

Средства измерения классифицируются по следующим критериям:

1) по способам конструктивной реализации;

2) по метрологическому предназначению.

По способам конструктивной реализации средства измерения делятся на:

1) меры величины;

2) измерительные преобразователи;

3) измерительные приборы;

4) измерительные установки;

5) измерительные системы.

Меры величины - это средства измерения определенного фиксированного размера, многократно используемые для измерения. Выделяют:

1) однозначные меры;

2) многозначные меры;

3) наборы мер.

Некоторое количество мер, технически представляющее собой единое устройство, в рамках которого возможно по-разному комбинировать имеющиеся меры, называют магазином мер.

Измерительный прибор - это средство измерения, посредством которого получается значение физической величины, принадлежащее фиксированному диапазону. В конструкции прибора обычно присутствует устройство, преобразующее измеряемую величину с ее индикациями в оптимально удобную для понимания форму. Для вывода измерительной информации в конструкции прибора используется, например, шкала со стрелкой или цифроуказатель, посредством которых и осуществляется регистрация значения измеряемой величины. В некоторых случаях измерительный прибор синхронизируют с компьютером, и тогда вывод измерительной информации производится на дисплей.

В соответствии с методом определения значения измеряемой величины выделяют:

1) измерительные приборы прямого  действия;

2) измерительные приборы сравнения.

Измерительные приборы прямого действия - это приборы, посредством которых можно получить значение измеряемой величины непосредственно на отсчетном устройстве.

Измерительный прибор сравнения - это прибор, посредством которого значение измеряемой величины получается при помощи сравнения с известной величиной, соответствующей ее мере.

Измерительные приборы могут осуществлять индикацию измеряемой величины по-разному. Выделяют:

1) показывающие измерительные приборы;

2) регистрирующие измерительные приборы.

Измерительная установка - это средство измерения, представляющее собой комплекс мер, ИП, измерительных приборов и прочее, выполняющих схожие функции, используемые для измерения фиксированного количества физических величин и собранные в одном месте. В случае, если измерительная установка используется для испытаний изделий, она является испытательным стендом.

Измерительная система - это средство измерения, представляющее собой объединение мер, ИП, измерительных приборов и прочее, выполняющих схожие функции, находящихся в разных частях определенного пространства и предназначенных для измерения определенного числа физических величин в данном пространстве.

По метрологическому предназначению средства измерения делятся на:

1) рабочие средства измерения;

2) эталоны.

Рабочие средства измерения (РСИ) - это средства измерения, используемые для осуществления технических измерений. Рабочие средства измерения могут использоваться в разных условиях. Выделяют:

1) лабораторные средства измерения, которые применяются при проведении научных исследований;

2) производственные средства измерения, которые применяются при осуществлении контроля над протеканием различных технологических процессов и качеством продукции;

3) полевые средства измерения, которые применяются в процессе эксплуатации самолетов, автомобилей и других технических устройств.

К каждому отдельному виду рабочих средств измерения предъявляются определенные требования. Требования к лабораторным рабочим средствам измерения - это высокая степень точности и чувствительности, к производственным РСИ - высокая степень устойчивости к вибрациям, ударам, перепадам температуры, к полевым РСИ - устойчивость и исправная работа в различных температурных условиях, устойчивость к высокому уровню влажности.

Эталоны - это средства измерения с высокой степенью точности, применяющиеся в метрологических исследованиях для передачи сведений о размере единицы. Более точные средства измерения передают сведения о размере единицы и так далее, таким образом образуется своеобразная цепочка, в каждом следующем звене которой точность этих сведений чуть меньше, чем в предыдущем.

 

43 Технические характеристики средств измерений: погрешность, точность, стабильность, чувствительность, диапазон измерений.

Погрешность средства измерений (англ. error (of indication) of a measuring instrument) – разность между показанием средства измерений и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины.

Погрешности средств измерений могут быть классифицированы следующим образом:

- по характеру появления и  причинам – систематические и случайные;

- по отношению к условию применения  – основные и дополнительные;

- по способу (форме) числового выражения  – абсолютные, относительные и приведенные.

Систематической погрешностью средства измерения называется составляющая погрешности, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины. Происхождение и характер этих погрешностей известен и выявляется в результате многократных измерений одной и той же величины. Влияние этих пгрешностей исключается путем введением поправок, определяемых расчетным или опытным путем.

Случайной погрешностью средства измерения называется составляющая погрешности, изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Она возникает в результате влияния на средства измерений таких случайных факторов как вибрация, наличие электромагнитных полей, изменение органов чувств наблюдателя. Они не могут быть исключены опытным путем. Для учета случайных погрешностей одну и ту же величину измеряют много раз данным средством измерений. К полученному ряду значений применимы теории вероятности и математической статистики, на основании которых оценивается случайная составляющая погрешности средств измерений.

Основная погрешность – это погрешность средства измерения, используемого в нормальных условиях, которые обычно определены в нормативно-технической документации на данное средство измерения.

Под дополнительными погрешностями понимают изменение погрешности средств измерений вследствие отклонения влияющих величин от нормальных значений. Абсолютная погрешность измерительного прибора – это разность между показаниями прибора и истинным (действительным) значением измеряемой величины:

Х = 

где ХП – показания прибора;

Хд – действительное значение измеряемой величины. За действительное значение измеряемой величины принимают показания образцового прибора.

Относительная погрешность прибора – это отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к истинному (действительному) значению измеряемой величины, %:

Класс точности средств измерений – обобщенная характеристика,

выражаемая пределами допускаемых погрешностей, а также другими

характеристиками, влияющими на точность. Классы точности конкретного типа СИ

устанавливают в нормативных документах. При этом для каждого класса точности

устанавливают конкретные требования к метрологическим характеристикам, в

совокупности отражающим уровень точности СИ данного класса. Класс точности

позволяет судить о том, в каких пределах находится погрешность измерений этого

класса. Это важно знать при выборе СИ в зависимости от заданной точности

измерений.

Весьма важным фактором является стабильность средств измерений - качество средств измерений, отражающее неизменность во времени его метрологических свойств. Стабильность характеризуется главным образом вариацией в показаниях измерительного прибора

Чувствительность 

измерительного прибора - отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины. Так, если при измерении диаметра вала с номинальным размером х = 100 мм изменение измеряемой величины равное 0,01 мм вызвало перемещение стрелки показывающего устройства на 10 мм, абсолютная чувствительность прибора составляет 10/0,01 = 1000, относительная чувствительность равна 10 • (0, 01/100) = 10.000. Для шкальных измерительных приборов абсолютная чувствительность численно равна передаточному отношению и с изменением цены деления шкалы чувствительность прибора остаётся неизменной. Однако на разных участках шкалы чувствительность может быть разной. Понятие чувствительности может определяться передаточной функцией, как функцией отношения сигналов на входе и на выходе преобразователя, В зависимости от вида функции чувствительность может быть либо постоянной величиной, либо величиной, зависящей от этой функции. Если функция линейная, то прибор имеет линейную шкалу, в противном случае - нелинейную. Линейность шкалы зависит не только от характеристик преобразователя, но и от выбора единиц физических величин.

Диапазон показаний - область значений шкалы, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы. Наибольшее и наименьшее значения измеряемой величины, отмеченные на шкале, называют начальным и конечным значениями шкалы прибора. Например, для оптиметра типа ИКВ - 3 диапазон показаний по шкале составляет ±0,1 мм, для длиномера типа ИЗВ диапазон показаний по шкале составляет 0 - 100 мм.