I. Общие сведения о метрологии и измерении физических величин

МЕТРОЛОГИЯ

Программа,, методические указания, вопросы для самопроверки и контрольные задания для студентов II, III курсов заочной формы обучения

 

Предисловие

 

Предлагаемое методическое пособие включает в себя краткое, изложение основных разделов дисциплины, вопросы для самопроверки, контрольные задания и список литературы.

В результате изучения дисциплины «Метрология» студенты должны:

- ознакомится с принципами действия, основными характеристиками и областями применения средств электрических измерений;

- освоить основные методы нормирования погрешностей средств измерений и уметь оценить погрешность результата измерений;

- уметь самостоятельно выбрать метод и средство измерения в зависимости от требуемой точности и условий проведения эксперимента.

Рекомендуемая литература

1.Основы метрологии и электрические измерения. Учебник для вузов /Б.Я. Авдеев, Е.М. Антонюк, Е.М. Душин и др.; Под ред. Е.М. Душина – 6-е изд., переработ. и доп.- Л.: Энергоатомиздат. Ленингр.отд-ние, 1987.- 480 с.

2. Тартаковский Д.Ф., Ястребов А.С. Метрология, стандартизация и технические средства измерений: Учебн. для вузов. – М.: Высш. шк., 2001. – 205 с.

3. Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммутационных системах: Учебник для вузов /В.И. Нефёдов, В.И. Хахин, Е.В. Федорова и др.; Под ред. В.И. Нефёдова. – М.: Высш. шк.,2001. – 383 с.

4. Э.Г. Атамалян. Приборы и методы измерения электрических величин: Учеб. пособие для студ. втузов. – 2 изд., перераб. и доп. - М.: Высш.шк., 1989. – 384 с.

5. Тревис Дж. LabVIEW для всех/Пер с англ.Клушин Н.А. – М.:ДМК Пресс; ПриборКомплект,2005 – 544 с.

6. Батоврин В.К., Бессонов А.С., Мошкин В.В. LabVIEW: практикум по электронике и микропроцессорной технике: Учебное пособие для вузов. – М. ДМКПресс, 2005. -182 с.

 

 

Содержание

стр.

Введение………………………………………………………………….4

I. Общие сведения о метрологии и измерении физических

величин……………………………………………………………4

II. Погрешности измерений…………………………………………8

III. Измерительные преобразователи и интеллектуальные

датчики……………………………………………………………26

IV. Электромеханические и электронные аналоговые

измерительные приборы………………………………………….28

V. Измерительные мосты и компенсаторы постоянного и

переменного тока………………………………………………….31

VI. Цифровые измерительные приборы……………………………..32

VII. Приборы для анализа сигналов…………………………………..45

VIII. Виртуальные измерительные приборы………………………….47

IX. Системы сбора и обработки измерительной информации……..49

X. Основы стандартизации и сертификации……………………….49

XI. Контрольные работы……………………………………………...51

Введение

 

Роль метрологии и технических средств измерений в развитии научно-технического прогресса. Краткий исторический обзор развития Метрологии и технических средств измерений [ 1: с.4 … 9; 2: с.6…11; 3: с.7…12; 4: с.6…11].

 

I. Общие сведения о метрологии и измерении физических величин.

Содержание и основные задачи метрологии. Физические величины, системы единиц физических величин. Средства измерений. Измерительные преобразователи, меры, измерительные приборы и системы. Чувствительность и точность средств измерений. Определение измерения. Основные виды и методы измерений. [ 1: с.10…23, 36…39, 97…103,109…113; 2: с.12…22; 3: с. 13…22, 25…45; 4: с.19,20,23…35].

I.1. Основные сведения и методические указания.

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

 

Метрологию принято разделять на три области:

· Теоретическую метрологию;

· Прикладную метрологию;

· Законодательную метрологию.

 

Специалисты в области теоретической метрологии занимаются разработкой общей теории измерений, обоснованием единиц измерения физических величин и методами оценки точности измеряемых величин.

 

Специалисты в области прикладной метрологии занимаются разработкой, производством и оценкой метрологических характеристик средств измерений. Предметами прикладной метрологии являются:

 

1. Специалисты в области законодательной метрологии занимаются разработкой стандартов, и контролем за состоянием средств измерений.

Основные понятия метрологии

 

Физическая величина – есть свойство, общее в качественном отношении для множества объектов, физических систем, их состояний и происходящих в них процессов, но индивидуальное в количественном отношении для каждого из них.

 

Единица физической величины – это физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное 1.

 

Значение физической величины – оценка физической величины в принятых единицах измерения.

 

Мера – совокупность технических средств, служащих для вещественного воспроизведения единицы измерения с определенной, наперед заданной точностью.

 

Измерением называется экспериментальное определение значения физической величины путем сравнения этой величины с некоторой ее частью, принятой за единицу измерения.

 

Истинное значение измеряемой величины – значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта.

 

Точность измеренного значения определяется как дискретностью представления единицы измерения, так и погрешностью ее реализации. Поэтому истинное значение измеряемой величины получить невозможно принципиально, и это понятие заменяют понятием действительного значения измеряемой величины.

 

Действительное значение измеряемой величины -то максимально точное ее значение, которое может быть получено при данном уровне развития науки и техники.

 

Средствами измерения называют технические средства, используемые при осуществлении процесса измерения, и имеющие нормированные метрологические характеристики.

 

Погрешность измерения – отклонение измеренного значения от действительного значения измеряемой величины.

 

Единицы физических величин подразделяются на основные и производные и объединяются в соответствии с принятыми принципами в системы единиц физических величин. В России принят ГОСТ 8.417-81, утверждающий Международную систему единиц СИ (SI – Systeme International).

 

Виды и методы измерений.

 

Различают следующие виды измерений.

Прямые измерения. Прямые измерения характеризуются тем, что результат измерения получается непосредственно от использованного средства измерения.

Косвенные измерения. Косвенным называется способ измерения, когда результат измерения вычисляется экспериментатором по его функциональной зависимости от результата прямого измерения.

Совокупные измерения. Совокупным называется способ измерения, когда результат измерения вычисляется экспериментатором по его функциональной зависимости от нескольких результатов прямых измерений.

Пример совместного измерения: определяют зависимость сопротивления резистора от температуры R_t=R₀(1+A·t+B·t²); измеряя сопротивление резистора при трех различных температурах, составляют систему из трех уравнений, из которых находят параметры R₀, А, В зависимости.

Измерительный процесс в явной или неявной форме содержит следующие составляющие:

· Измеряемую величину.

· Средства измерения.

· Методы измерения.

При этом под методом измерения понимается совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

Различают следующие методы измерений.

 

1. Метод непосредственной оценки. При этом методе результат измерения определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора, шкала которого заранее была градуирована с помощью меры.

2. Метод сравнения с мерой.

а) Нулевой метод.

При нулевом методе сравнения с мерой, измерительный прибор сводится к устройству сравнения, индицирующему нулевую разницу между измеряемой величиной и используемой мерой. Результат измерения определяется значением меры.

Типичным примером использования такого метода являются обычные рычажные весы.

б) Дифференциальный метод.

Метод сравнения, при котором мера может быть не точно равна измеряемой величине. В этом случае разница между мерой и измеряемой величиной определяется методом непосредственной оценки. Результат измерения определяется суммой используемой меры и значения, полученного от прибора непосредственной оценки. Точность метода возрастает с уменьшением разницы между значениями меры и измеряемой величины.

Примером использования этого метода могут служить обычные торговые весы с дополнительным циферблатом.

в) Метод замещения.

Сущность метода сводится к тому, что измеряемая величина замещается воспроизводимой мерой таким образом, чтобы устройство сравнения находилось бы в том же состоянии. Результат измерения определяется значением используемой меры.

Примером этого метода является точное измерение малого напряжения с помощью гальванометра, к которому сначала подключают источник неизвестного напряжения и определяют отклонение указателя, а затем с помощью регулируемого источника известного напряжения добиваются того же отклонения указателя. При этом известное напряжение равно неизвестному.

д) Метод совпадения.

При методе совпадения ряд равномерно чередующихся отметок или сигналов, соответствующих измеряемой величине, сопоставляется с рядом отметок или сигналов, соответствующих воспроизводимой мере и наблюдается их совпадение, на основе которого определяется значение измеряемой величины.

При изучении данного раздела обратите внимание, что современный измерительный прибор, а тем более измерительная система представляет из себя, в общем случае, последовательность аналоговых измерительных преобразователей, в самом конце которой располагается устройство аналого-цифрового преобразования, реализующее собственно измерение, т.е. формирование численного значения измеряемой величины.

 

I.2. Вопросы для самопроверки

 

1. Что такое Метрология, и какие области знаний она охватывает?

2. Что такое измерение, средства измерения и погрешность измерения?

3. Приведите основные единицы Международной системы единиц СИ.

4. Приведите численные значения и условные обозначения кратных и дольных значений единиц физических величин.

5. Какие виды измерений используются на практике?

6. Какие существуют методы измерений и в чем они заключаются?

 

II. Погрешности измерений

Источники погрешностей (инструментальные и методические погрешности, влияние помех, субъективные ошибки). Номинальная и реальная функция преобразования, абсолютная и относительная погрешность средства измерений, основная и дополнительная погрешности. Пределы допускаемых погрешностей, классы точности средств измерений. Выявление и уменьшение систематических погрешностей. Оценка случайных погрешностей. Доверительный интервал и доверительная вероятность. Оценка погрешностей косвенных измерений. Обработка результатов измерений. [ 1: с.23…35,40,41,53,54,56…61; 2: с.22…53; 3: с.48…91; 4: с.21,22,35…52,63…71, 72…77,85…93].

 

II.1. Основные сведения и методические указания.

Одним из основополагающих понятий Метрологии является понятие погрешности измерений.