Размещено на http://www.allbest.ru/

ВИДЫ, МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ

План

• 1. Измерение и физические величины
• 2. Методы измерений
• 3. Виды средств измерений

1. Измерение и физические величины

Физические величины делятся на геометрические, кинематические, динамические и пр.

- К геометрическим - относятся линейный размер, объем, угол.

- К кинематическим - скорость, ускорение, частота вращения.

- К динамическим - масса, расход какого-либо вещества, давление и т.д.

- К другим величинам можно отнести время, температуру, цвет, освещенность.

Измерением называют совокупность действий, выполняемых с помощью специальных средств с целью нахождения численных значений измеряемой величины в принятых единицах измерения.

Измерение - нахождение численного значения измеряемой физической величины опытным путем с помощью средств измерений.

В то же время измерение - один из существенных методов познания окружающего нас материального мира, его явлений, так как количественно характеризует его. Известно высказывание великого русского ученого Д.И. Менделеева о том, что наука начинается тогда, когда начинают измерять. Единство измерений означает, что результат всех определенного вида измерений выражается в узаконенных единицах с заданной точностью. Это позволяет сопоставлять результаты измерений, выполненных в разных местах и в разное время с применением различных методов и средств измерений. Измерительная техника представляет собой совокупность технических средств и методов измерений для получения полной и достоверной информации о физических явлениях, свойствах веществ, материалов, изделий, характера таких технологических процессов. Развитие общественного производства невозможно без обеспечения единства и требуемой точности измерений в научных исследованиях и на производстве.

Целью измерения является получение значения физической величины, характеризующей контролируемый объект. Существует множество видов измерений.

На рисунках изображены самые распространенные измерительные инструменты - микрометр и штангенциркуль и основные приемы измерений.

Рис. 3.1. Микрометр

Рис. 3.2. Штангенциркуль: 1 - штанга; 2 - рамка; 3 - нониус; 4 - винт стопорный; 5 - движок; 6 - винт микрометрический; 7 - винт стопорный; 8 - гайка

а)

б)

Рис. 3.3. Основные приемы измерения штангенциркулем

Рассмотрим процесс измерения при помощи микрометра (рис. 3.1).

Для производства отсчета по микрометру на гильзе имеется продольная риска, около которой перпендикулярными ей штрихами нанесены деления. Каждое деление, отмеченное штрихом, равно 1 мм. Штрихи, нанесенные по другую сторону продольной риски, смещены относительно первой шкалы на 0,5 мм. Резьба на шпинделе микрометра имеет такой шаг, что за один полный оборот он перемещается на 0,5 мм, т. е. на одно маленькое (между верхним и нижним штрихами) деление. Левый конец барабана микрометра представляет собой конус, причем на поверхности конуса нанесено 50 делений. Так как один полный оборот шпинделя дает продольное перемещение его на 0,5 мм, то поворот барабана на одно деление шкалы, нанесенной на его коническом конце, вызывает продольное перемещение шпинделя на 0,5/50 = 1/100мм. Когда шпиндель микрометра подведен к его пятке, конец барабана совпадает с нулевым штрихом шкалы, нанесенной на гильзе, а нулевой штрих барабана - с продольной риской. После поворота барабана на один полный оборот раствор микрометра будет равен 0,5 мм. Сообщив барабану еще один полный оборот, мы будем иметь расстояние между пяткой и шпинделем, равное 1 мм. Если конец барабана пройдет несколько нижних делений шкалы, нанесенной на гильзе, но не дойдет до ближайшего верхнего штриха, показывающего половины миллиметров, и будет остановлен в этом положении, то штрих барабана, совпадающий в этот момент с продольной риской гильзы, покажет, сколько сотых долей миллиметра прошел шпиндель микрометра сверх целого миллиметра. Из приведенного описания устройства микрометра видно, что точность отсчета по микрометру равна 0,001 мм. Но оценивая на глаз интервал между штрихами шкалы барабана, можно повысить точность отсчета до 0,005 мм. Учитывая же неизбежные погрешности, получающиеся вследствие не вполне правильного положения микрометра во время измерения и других причин, погрешность измерения микрометром следует считать в пределах ± 0,01 мм. При измерении мелких деталей микрометр находится в правой руке. Микрометр прижимают мизинцем или безымянным пальцем к ладони, а большим и указательным пальцами вращают барабан или головку трещотки. Измеряя деталь сравнительно больших размеров, микрометр держат левой рукой у пятки, а правой поддерживают его, вращая пальцами этой руки барабан или трещотку.

Рассмотрим процесс измерения при помощи штангенциркуля (рис. 3.2)

Освободив винты 6 и 7, закрепляющие подвижную рамку и ползунок на штанге штангенциркуля, грубо устанавливают штангенциркуль на требуемый размер; рамка 2 и ползунок 5 перемещаются при этом вместе. Затем ползунок 5 закрепляют винтом 7 и при помощи микрометрического винта 6, вращая накатанную гайку 8, точно устанавливают штангенциркуль. Нониус рассматриваемого штангенциркуля имеет 20 делений, каждое из которых при отсчете принимается за 5. Поэтому цифра 25 нанесена на нониус против 5-го штриха, цифра 50 против 10-го и т. д. Таким образом, 1-й штрих нониуса дает 5-е деление, 4-й - 20-е, 1-й после 25-го - 30-е деление и т.д. Все 20 делений нониуса равны 39 делениям штанги, т. е. 39 мм, так что каждое его деление равно 39/20 = 195/100 = 1,95 мм. Вследствие этого никакие два или более штрихов нониуса не могут одновременно совпадать со штрихами шкалы штанги. Исключение составляют нулевой и самый последний штрихи нониуса, которые одновременно совпадают со штрихами шкалы штанги. Отсчет показания штангенциркуля при таком положении нониуса производится только по нулевому штриху, но не по последнему. В тот момент, когда 1-й штрих нониуса (после нулевого) точно совпадает со 2-м штрихом шкалы штанги, расстояние между измерительными поверхностями ножек штангенциркуля составит 2 - 1,95 = 0,05 мм. Если 2-й штрих нониуса совпадает со штрихом штанги, показание штангенциркуля составляет 4 - 2 · 1,95 = 4 - 3,9 = 0,1 мм. Если рамку сдвинуть еще немного, так чтобы со штрихом штанги совпал 3-й штрих нониуса, расстояние между измерительными поверхностями будет 0,15 мм. Таким образом, совпадение каждого последующего штриха добавляет 0,05 мм, что кратно обозначениям на шкале нониуса. Совпадение нулевого штриха нониуса с 1-м штрихом шкалы штанги соответствует расстоянию между измерительными поверхностями губок, равному 1 мм, с 10-м штрихом - расстоянию 10 мм и т. д. Следовательно, число делений шкалы штанги, пройденных нулевым штрихом нониуса, показывает число целых миллиметров, а совпадение соответствующего штриха нониуса с каким-либо штрихом штанги дает сотые доли миллиметров.

Измерения классифицируются по следующим признакам:

- по числу измерений:

· многократные

· однократные

- по степени достаточности:

· необходимые

· достаточные

- по условиям измерений:

· равноточные

· неравноточные

- по связи с объектом:

· контактные

· бесконтактные

- по характеру результата измерений:

· абсолютные

· допусковые (пороговые)

· относительные

- по способу получения результата:

· прямые (непосредственные)

· косвенные

· совокупные

· совместные

- по характеру получаемой информации:

· динамические

· статические

· статистические

- по методу:

· непосредственная оценка

· сравнение с мерой

· противопоставление

· дифференциация

· согласование

· замещение (совпадение)

- по точности оценки погрешности:

· технические

· лабораторные (исследовательские)

- точные оценивание погрешности

- приближенное оценивание погрешностей

Однократные измерения - это когда одно измерение соответствует одной величине, т. е. число измерений равно числу измеряемых величин. Такой вид измерений всегда сопряжен с большими погрешностями, поэтому, как правило, проводят не менее трех однократных измерений и находят конечный результат как среднее арифметическое значение.

Многократные измерения - это когда число измерений превышает число измеряемых величин. В этом случае минимальное число измерений больше трех. Преимуществом многократных измерений является значительное снижение влияния случайных факторов на погрешность измерения (иногда этот вид измерений называют статистическим).

Неравноточными измерениями называют такие, при которых измерения одной и той же физической величины выполняются различными исследователями, разными приборами, в различных условиях и с различной точностью.

Абсолютными измерениями называют такие, при которых используют прямое измерение одной (иногда нескольких) основной величины и значение физической константы. Так, в формуле Эйнштейна

Е = тс²

масса (т) - основная физическая величина, которая может быть измерена прямым путем (взвешиванием), а скорость света (с) - физическая константа.

Относительные измерения - это установление отношения измеряемой величины к одноименной величине, применяемой в качестве единицы. Искомое значение зависит от используемой единицы измерения.

Прямые измерения - это непосредственное сравнение физической величины с ее единицей. Например, при определении длины предмета с помощью линейки происходит сравнение искомой величины (количественного выражения значения длины) с мерой, т.е. единицей измерения.

Косвенные измерения отличаются от прямых тем, что искомое решение устанавливают по результатам прямых измерений таких величин, которые связаны с искомой определенной функциональной зависимостью. Так, если в данной электрической цепи измерить силу тока амперметром, а напряжение вольтметром, то по известной функциональной зависимости можно определить мощность этой электрической цепи.

Совокупные измерения основываются на решении системы уравнений, составляемых по результатам одновременных измерений нескольких одноименных величин. Для вычисления искомой величины число уравнений должно быть не меньше числа величин.

Совместные измерения - это одновременное измерение двух или нескольких неодноименных физических величин для определения зависимости между ними.

Совокупные и совместные измерения часто применяют при измерениях различных параметров и характеристик в электротехнике.

С помощью измерения сопоставляют измеряемую величину с единицей измерения, т. е. если имеется некоторая физическая величина X, а принятая для нее единица измерения [А], то значение физической величины определяется как

Х =q [A],

где q - числовое значение физической величины в принятых единицах измерения. Данное уравнение называют основным уравнением измерений.

Например, за единицу измерения напряжения U электрического тока принят один вольт [1В]. Тогда значение напряжения электрической сети U= q [U] = 220 [1 В] = 220 В, т. е. числовое значение напряжения 220. Если за единицу напряжения U принят один киловольт [1 кВ], а 1 В = 103 кВ, то U= q [U] = 220 [103 кВ] = 0,22 кВ. Числовое значение напряжения будет 0,22.

Еще одно важное понятие - измерительное преобразование, под которым понимают установление однозначного соответствия между размерами двух величин: преобразуемой (входной) и преобразованной в результате измерения (выходной).

Множество размеров входной величины, которая преобразуется с помощью технического устройства, называют диапазоном преобразований.

В зависимости от видов физических величин измерительные преобразования делятся на три группы.

- Первая группа представляет собой величины, которые определяют отношения: "слабее - сильнее", "мягче - тверже", "холоднее - теплее" и др. Такой величиной является, например, скорость ветра. Их называют отношениями порядка или отношениями эквивалентности.

- Ко второй группе относятся величины, для которых отношения порядка определяются не только между значениями величин, но и их диапазоном, т. е. разностью значений крайних величин. Например, разность диапазона температур от +5 до +10 °С и разность диапазона температур от +20 до +25 °С равны. В данном случае отношение порядка вели чин +25 °С теплее, чем +10 °С, а отношение порядка разности крайних значений первых величин соответствует разности крайних значений вторых величин. В обоих случаях отношение порядка однозначно определяется с помощью измерительного преобразователя, например жидкостного термометра, и температура может быть отнесена к измерительным преобразованиям.

- Третья группа характеризуется тем, что с величинами возможно выполнение операций, подобных сложению и вычитанию (свойство аддитивности). Например, такая физическая величина, как масса: два предмета (каждый массой 0,5 кг), поставленные на одну чашу рычажных весов, на другой чаше уравновешиваются гирей массой 1 кг.

Измеряемая величина может быть независимой, зависимой и внешней.

- Независимая величина изменяется только под действием исполнителя работ (например, угол открытия дроссельной заслонки карбюратора при испытании двигателя).

- Зависимая величина изменяется при изменении независимых переменных (например, скорость движения автомобиля при изменении угла открытия дроссельной заслонки карбюратора).

- Внешняя величина характеризует влияние внешних факторов на результаты измерений при выполнении измерительных работ, но не контролируется человеком, выполняющим эти измерения (например, скорость встречного ветра при определении скорости движения автомобиля).

Эталоном единицы величины называют средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы величины и передачи ее размера другим средствам измерений данной величины.

2. Методы измерений

метрологический нормирование штангенциркуль микрометр

Методы измерений - способ получения результата измерений путем использования принципов и средств измерения.

Методы измерений в зависимости от вида измерений подразделяют на группы, а в зависимости от приемов на подгруппы и виды. Классификация методов измерений представлена на рис. 3.4.

Метод непосредственной оценки, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. Например, давление - пружинным манометром, массу - на весах, электрический ток - амперметром.

Преимущества: быстрота измерений;

недостаток: ограниченная точность.

Метод сравнения с мерой, где измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, измерение массы с помощью рычажных весов уравновешиванием гирей; измерение напряжения постоянного тока - компенсатором, сравнивая с ЭДС параллельного элемента, а также измерение линейкой.

Преимущества: большая точность, чем при методе непосредственной оценки;

недостаток: большие затраты времени на подбор мер.

Рис. 3.4. Методы измерения

Дифференциальный (разностный) метод характеризуется измерением разности между измеряемой величиной и известной величиной, воспроизводимой мерой. Данный метод позволяет получать результат высокой точности даже при использовании относительно примитивных средств. Например, поверка термометров по температурам таяния льда и кипения воды.

Преимущества: получение результатов с высокой точностью даже при применении относительно грубых средств для измерения разности.

Нулевой метод аналогичен дифференциальному, но разность между измеряемой величиной и мерой сводится к нулю. Например, измерения электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием.

Метод совпадения - метод совпадения с мерой, в котором разность между значениями искомой и воспроизводимой мерой величин измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Например, при измерении длины с помощью штангенциркуля с нониусом наблюдают совпадение отметок на шкалах штангенциркуля и нониуса. Иногда метод называют нониусным.

Преимущества: позволяет существенно увеличить точность сравнения с мерой;

недостаток: затраты на приобретение более сложных средств измерения, необходимость профессиональных навыков оператора.

Метод замещения - метод сравнения с мерой, в которой измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Например, взвешивание с поочередным размещением измеряемого объекта и гирь на одну и ту же чашу весов.

Преимущества: погрешность измерения мала, так как определяется в основном погрешностью меры и зоной нечувствительности прибора (ноль - индикатора);

недостаток: необходимость применения многозначных мер.

Косвенный метод - метод, основанный на измерении физической величины одного наименования, связанный с другой известной величиной определенной функциональной зависимостью, с последующим расчетом путем решения уравнения. Используются широко при химических методах испытаний.

Преимущества: возможность измерения величин, для которых отсутствуют методы непосредственной оценки или они дают недостоверные результаты или связаны со значительными затратами;

недостаток: повышенные затраты времени и средств на измерение.

Таким образом, разные методы имеют свои характерные особенности, обуславливающие их достоинства и недостатки. Критериями выбора определенных методов измерений служит требуемая точность измерения, наличие конкретных средств измерения, затраты времени на измерения и материальных средств на приобретение средств измерения высоких классов точности.

3. Виды средств измерений

Для измерения физической величины применяют технические средства, которые называются средствами измерений.

Средство измерения - это техническое средство, предназначенное для измерения, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. Средства измерения - это основа метрологического обеспечения, они имеют нормированные погрешности.

Средства измерения основаны на использовании различных физических эффектов, например, пьезо- и термоэлектрические, эффекты Холла и Фарадея, фотоэлектрические и др.

К средствам измерений относятся: меры, измерительные преобразователи, приборы, системы и установки, принадлежности.

Мера - это средство измерения, предназначенное для воспроизведения или хранения физической величины заданного размера, например гири, концевые меры длин и др.

На практике используют однозначные меры, которые воспроизводят величину только одного размера (например, гиря); многозначные меры, когда воспроизводят несколько размеров физической величины (например, длину объекта в миллиметрах или сантиметрах); набор мер (например, набор гирь) и магазин мер, где меры объединены в одно целое с возможностью путем переключения устройств, связанных с возможностью отсчета, объединить меры в нужном сочетании (например, магазин электрических сопротивлений).

К однозначным мерам относятся стандартные образцы и стандартные вещества.

Стандартный образец - это образец вещества (материала), который аттестуется с количественными значениями величин, характеризующими свойства или состав этого вещества (материала).

При пользовании мер учитывают их номинальное и действительное значение, погрешность и разряд. Номинальное значение указывается на мере, действительное - в специальном свидетельстве. Действительное значение меры определяется на основании высокоточного измерения с помощью официального эталона. Разность между действительным и номинальным значениями меры называется погрешностью меры. При аттестации (поверке) тоже могут быть погрешности, поэтому меры подразделяют на разряды (первый, второй и т. д.), а сами меры называются разрядными эталонами (образцовыми измерительными средствами), которые используют для поверки измерительных средств.

Измерительный преобразователь - это техническое средство, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Основной метрологической характеристикой измерительного преобразователя считается соотношение между входной и выходной величинами, которое называется функцией преобразования. К измерительным преобразователям относятся термопары, измерительные трансформаторы и усилители, преобразователи давления. Не следует отождествлять измерительные преобразователи с преобразовательными элементами (например, трансформатор не имеет метрологических характеристик).

Первичные преобразователи непосредственно воспринимают информацию об измеряемой величине; передающие преобразуют информацию в форму, удобную для ее регистрации или передачи на расстояние; промежуточные работают как первичные или передающие, так и в их сочетании, не изменяя вид физической величины.

Измерительные приборы - средства измерений, предназначенные для переработки сигнала измерительной информации в другие формы, доступные для непосредственного восприятия наблюдателем. Различают приборы прямого действия и приборы сравнения.

- Приборы прямого действия отображают измеряемую величину на показывающем устройстве, имеющем градуировку в соответствующих единицах ФВ, например амперметры, вольтметры и т. п.

- Приборы сравнения (компараторы) сравнивают измеряемые величины с величинами, значения которых известны, например электроизмерительные потенциометры.

Измерительные системы и установки - это совокупность функционально объединенных автоматизированных или автоматических средств измерения, предназначенных для измерения одной или нескольких физических величин объекта измерений.

Измерительные принадлежности - вспомогательные средства, используемые для обеспечения необходимых условий чтобы выполнить измерения с требуемой точностью. Например, психрометр используется при измерении параметра объекта, если оговаривается влажность окружающей среды.

По метрологическому назначению средства измерений делятся на рабочие средства измерения и эталоны.

По способу отсчета измеряемой величины средства измерения, как правило, делятся на:

- показывающие (например, аналоговые и цифровые);

- регистрирующие (бумажная или магнитная лента).

Размещено на Allbest.ru