ОСНОВЫ ТЕОРИИ ИЗМЕРЕНИЙ

Учебные задачи

  • 1. Изучить классификацию измерений и измерительных приборов.
  • 2. Изучить статические и динамические погрешности измерений и методы их оценки.
  • 3. Обосновать статические погрешности измерительных приборов.
  • 4. Составить представление о динамических характеристиках и погрешностях приборов.
  • 5. Изучить подходы к оптимальному проектированию измерительного канала приборов.
  • 6. Оценить методы определения погрешностей средств измерений в реальных условиях эксплуатации.
  • 7. Составить представление об определении погрешностей измерительных каналов автоматических систем контроля.

Тема главы

Рассмотрены инструменты количественной оценки качественных преобразований развития систем «Метрология», «Стандартизация» и «Сертификация» как институтов качества.

Классификация измерений и измерительных приборов

Измерить какую-либо величину — значит сравнить ее с другой однородной величиной (мерой), принятой за единицу.

Число q, выражающее отношение измеряемой величины 0 к единице измерения ?/, называется числовым значением измеряемой величины:

(4.1.1)

q = ^ или 0 = qU.

Уравнение (4.1.1) является основным уравнением измерения: его правая часть называется результатом измерения.

Результат измерения — всегда именованное число и состоит из единицы измерения и, которая имеет свое наименование, и числа q, показывающего, сколько раз данная единица содержится в измеряемой величине 0.

При измерении физических величин не всегда возможно непосредственно сравнивать измеряемую величину с мерой, и в этих случаях измерение производится сравнением с какой-либо другой физической величиной, однозначно связанной с измеряемой (например, измерение температуры производится по величине электрического сопротивления).

Измерения делятся на прямые, косвенные и совокупные.

Прямыми измерениями называются такие, при которых значение измеряемой величины определяется непосредственным сравнением ее с мерами или показаниями измерительных приборов, градуированных в выбранных единицах измерения.

Основные методы прямых измерений: непосредственного определения, компенсационный (нулевой) и дифференциальный (разностный).

Методом непосредственного определения значение измеряемой величины прямо преобразуется в выходную величину прибора, т. е. приборы непосредственно показывают (или записывают) измеряемую величину. Метод непосредственного определения широко используется в приборах промышленного контроля.

Компенсационный (нулевой) метод состоит в уравновешивании неизвестной измеряемой величины известной. Значение измеряемой величины находится после достижения равновесия по значению уравновешивающей (известной) величины. Момент равновесия фиксируется устройством или прибором, называемым нуль-индикатором. К числу приборов, основанных на компенсационном методе, относятся потенциометры, уравновешенные мосты, дифманометры с силовой компенсацией и др.

Компенсационный метод более точен, чем метод непосредственного определения.

Дифференциальный (разностный) метод заключается в том, что прибором определяется разность между измеряемой и некоторой известной (образцовой) величиной, после чего измеряемая величина находится путем алгебраического сложения.

Существенный признак прямого измерения — результат выражается в тех же единицах, что и измеряемая величина.

Косвенными измерениями измеряемая величина определяется не непосредственно, а на основании данных прямых измерений величины, связанной с искомой определенным соотношением.

Примеры косвенных измерений — определение плотности по массе и объему или расхода по перепаду давления.

Косвенные измерения широко применяются в практике контроля производственных процессов, когда прямые измерения невозможны.

При совокупных измерениях числовые значения измеряемой величины определяются путем решения ряда уравнений, полученных из совокупности прямых измерений одной или нескольких однородных величин.

Совокупные измерения применяются в лабораторной и исследовательской практике.

Измерения могут быть также классифицированы:

  • • по характеристике точности — равноточные (ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности измерительными приборами в одних и тех же условиях, в противном случае измерения признаются неравноточными);
  • • по числу измерений и роду измерений — однократные, многократные;
  • • по отношению к изменению измеряемой величины: статические (время = const) и динамические (время = varia);
  • • по выражению результата измерения: абсолютные (в единицах измеряемой величины) и относительные (в относительных единицах, как правило, в процентах).

Измерительными приборами называются устройства, служащие для прямого или косвенного сравнения измеряемой величины с единицей измерения.

При централизованном контроле любой измерительный прибор (измерительная система) состоит из трех основных узлов: первичного преобразователя (в технической литературе встречается и термин датчик, употребленный в том же значении, что и первичный преобразователь), канала связи и вторичного прибора.

Первичный преобразователь — измерительное устройство, установленное на объекте измерения, преобразует контролируемую величину в выходной сигнал, удобный для передачи по каналу связи.

Первичные преобразователи весьма разнообразны как по принципу действия, так и по характеру выходных сигналов; их можно классифицировать по ряду признаков:

  • а) по виду контролируемой величины (преобразователи температуры, давления, расхода, уровня, плотности и т. п.);
  • б) по принципу действия (электрические, пневматические и т. п.);
  • в) по виду и характеру выходного сигнала.

Выходные сигналы преобразователей могут быть непрерывными и прерывными (дискретными).

Важнейшая характеристика первичного преобразователя — вид функциональной зависимости между изменениями контролируемой величины и выходным сигналом преобразователя; предпочтительна линейная зависимость.

Канал связи служит для передачи сигнала от первичного преобразователя к вторичному прибору. Если сигнал электрический, то в качестве канала связи используются электрические провода или кабель. Для пневматических или гидравлических сигналов используются металлические и пластмассовые трубки.

Наибольшее распространение в современных системах централизованного контроля получили электрические и пневматические дистанционные передачи, причем пневматические системы применяются, главным образом, во взрыво- и пожароопасных производствах, где применение электрических передач затруднено.

Вторичный прибор — устройство, воспринимающее сигнал от первичного преобразователя и выражающее его в численном виде при помощи отсчетного устройства. Во многих случаях один и тот же вторичный прибор может быть использован для измерения различных параметров (разница будет лишь в градуировке шкалы).

Шкалы технических приборов обычно градуируются так, чтобы показания их были численно равны отсчету. Например, отсчету д = 50 по шкале ртутного термометра, градуированного в °С, соответствует показание 0 = 50. Единица измерения температуры и= 1 °С.

По способу отсчета измерительные приборы подразделяются на следующие группы.

Приборы с ручной наводкой, у которых процесс измерения осуществляется сравнением измеряемой величины с мерами или образцами при непосредственном участии наблюдателя (весы с гирями, оптический пирометр с исчезающей нитью).

Показывающие приборы указывают значение измеряемой величины в момент измерения на отсчетном устройстве.

Наиболее широко применяются шкаловые отсчетные устройства. Шкалы выполняются как неподвижными, так и подвижными; в последнем случае шкала перемещается относительно неподвижного указателя. Отметки на шкалах располагаются вдоль прямой линии или по дуге окружности на плоской и цилиндрической поверхности циферблата.

На рис. 4.1.1 показаны наиболее типичные шкалы измерительных приборов.

а

б

  • 11111111111П1|1Щ111Ш1Ц1||1Ш1ПП1|Щ1ПП1
  • 0 20 40 60 80 100
Ш калы

Рис. 4.1.1. Ш калы: а — прямолинейная; б — дуговая; в — круговая равномерная; г — профильная; д — барабанная; е — круговая неравномерная

Положение указателя определяется углом поворота или линейным его перемещением от нуля или начала шкалы. Зависимость между положением указателя и отсчетом называется характеристикой шкалы.

Характеристика шкалы для приборов с угловым перемещением указателя (рис. 4.1.2) выражается уравнением.

<7=/(ф),

где (р — угол поворота указателя от нулевой отметки шкалы, а для безнулевых шкал — от начала шкалы; д — отсчет по шкале.

Ш каловое отсчетное устройство с дуговой шкалой

Рис. 4.1.2. Ш каловое отсчетное устройство с дуговой шкалой

Для приборов с прямолинейными шкалами (рис. 4.1.3)

я=А(Ю,

где N — линейное смещение указателя от нуля шкалы (для безнулевых шкал — от начала шкалы).

N—»-

с

) 1

I | 1 т м | I 1 I I | м 1 Г |

I г з ч 5

| хЮ0°С

-----

Рис. 4.1.3. Шкаловое отсчетное устройство с прямолинейной шкалой

Множитель 100 °С, помещенный на шкале рис. 4.1.3, указывает, что при прочтении показания прибора надо величину, отмеченную указателем, умножить на 100.

Линейное смещение указателя от нулевой отметки дуговых и круговых шкал составляет:

М= <ряш>

где Яш радиус шкалы.

Равномерные шкалы имеют линейную характеристику вида

Я = —(#в Н) + ЯН

Ф шах

ИЛИ

N , .

Я=-гг-0Н) + ЯН,

* шах

где <7П И #и — отсчеты, соответствующие верхнему (<7В) и нижнему (н) пределам показаний прибора; фтах — размах шкалы; А^тах — длина шкалы.

Самопишущие (регистрирующие) приборы снабжаются приспособлениями, автоматически записывающими на бумажной ленте или диске текущее значение измеряемой величины во времени. Запись осуществляется пером в виде непрерывной линии или печатным устройством с периодическим печатанием на бумажной ленте числовых значений отсчетов. На одной бумажной ленте могут быть записаны несколько измеряемых величин. В этом случае в прибор встраивается автоматический переключатель, последовательно подключающий к измерительной системе одну из нескольких точек измерения. На рис. 4.1.4 приведены схемы типичных регистрирующих устройств. Характеристики регистрирующих устройств аналогичны характеристикам шкало-вых отсчетных устройств.

Комбинированные приборы осуществляют показания и регистрацию измеряемой величины. Измерительные приборы могут снабжаться также дополнительными устройствами для сигнализации (сигнализирующие приборы), регулирования измеряемой величины (регулирующие приборы) и для других целей.

Суммирующие (интегрирующие) приборы дают суммарное значение измеряемой величины за определенный промежуток времени. Эти приборы снабжаются счетчиками, которые часто встраиваются в один корпус с показывающим или самопишущим прибором, имея с ним одну измерительную систему.

Чувствительностью измерительного прибора называется отношение линейного или углового перемещения указателя к изменению измеряемой величины, вызвавшему это перемещение.

Линейная чувствительность 5 = угловая чувствительность 5у = или 5у =

или 5 =

а

Регистрирующие устройства

Рис. 4.1.4. Регистрирующие устройства: а — с записью в полярных координатах на дисковой диаграмме; б — с записью в прямоугольных координатах на ленточной диаграмме; в — с печатающим устройством

СІО

4Ф . *0'

для приборов с дуговыми и круговыми шкалами чувствительность где ДУУ и Д(р — перемещение указателя; АО — изменение измеряемой величины; Лш радиус шкалы (см. рис. 4.1.2).

Чем больше чувствительность прибора, тем меньшую долю измеряемой величины можно измерить. Величина чувствительности является мерой, при помощи которой сравниваются однотипные приборы.

Величина, обратная чувствительности (С), называется ценой деления шкалы прибора, т. е.

с = М.

Д(р

Диапазон измерения, как разница между верхним и нижним пределом измерения, и порог чувствительности формируют первую группу метрологических свойств прибора (в общем случае — средства измерения), вторая группа свойств нацелена на повышение качества измерений и соответствующих измерительных приборов. Интегрально это проявляется в точности измерений — близостью к нулю погрешностей измерений и измерительного прибора.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >