- •119 П.Г.Леонов - Технические измерения и приборы
- •ТеХнические измерения и приборы
- •Часть I. Принципы, методы и средства измерений
- •Часть I –принципы, методы и средства измерений
- •Технические измерения и приборы.
- •Введение
- •Часть 1. Принципы, методы и средства измерений.
- •Понятие измерения физической величины.
- •1.2. Основные понятия метрологии.
- •1.2.3. Системы единиц измерений
- •1.2.4. Метрологическая служба.
- •1.3 Методы измерений и их классификация.
- •1.4. Погрешности измерений.
- •1.4.1. Основные определения.
- •1.4.2. Виды и источники погрешностей
- •1.5. Технические Средства измерений
- •1.5.1. Понятие меры.
- •1.5.2. Обобщенная структура средств измерений
- •1.5.3. Классификация измерительных средств
- •1.5.4. Характеристики измерительных средств.
- •1.6. Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (гсп)
- •1.7. Современные средства измерений
- •1.7.1. Микропроцессоры в средствах измерений.
- •Типовые электронные схемы измерительных приборов
- •1.7.3. Аналого-цифровые преобразователи
- •1.7.4. Виды микропроцессорных средств измерения
- •1.7.5. Встроенные измерительные системы (виртуальные приборы)
- •1.7.6. Программное обеспечение встроенных систем.
- •1.7.7. Стандарты информационного обмена в измерительных системах.
- •1.7.8.Тендиции развития средств измерения.
- •1.8. Помехи и шумы в измерительных системах.
- •1.8.1. Понятие шума и помехи.
- •1.8.2. Фундаментальные источники шумов.
- •1.8.3. Помехи.
- •1.8.4. Способы уменьшение влияния шумов и помех
- •1.9. Прннципы выбора технических средств.
- •Приложение 1. Обработка результатов измерений и определение погрешности измерений.
- •П.1. Систематическая погрешность.
- •П.2. Случайная погрешность.
- •П.3. Прямое однократное измерение
- •П.4. Прямое многократное измерение
- •П.5. Косвенные измерения.
Часть 1. Принципы, методы и средства измерений.
Понятие измерения физической величины.
Возможность получения информации о состоянии материального объекта, т.е. возможность осуществления процесса измерений, основываются на нескольких положениях, постулатах:
Любой материальный (физический) объект может быть полностью определен конечным набором свойств этого объекта, которые называются физическими величинами.
Каждая физическая величина, т.е. определенное свойство физического объекта, имеет свои качественную и количественную характеристики.
Качественная характеристика физической величины определяется тем, какое свойство материального объекта или какая особенность материального мира характеризуется этой величиной.
Количественная характеристика физической величины определяет «меру» наличия этого качества в объекте. Например, такие свойства как плотность и упругость в качественно характеризуют самые различные материалы - резину, сталь, воздух, но в количественном отношении эти свойства для указанных материалов будут различными.
Количественная характеристика свойств объекта может быть выражена понятием "размер физической величины".
Для двух однородных физических величин всегда существует объективный способ сравнения их размеров, независимый от времени и места проведения такого сравнения.
Для любой физической величины существуют технические средства и процедуры, основанные на известных физических явлениях, с помощью которых возможно реализовать способ определения численного значения размера этой величины.
Перечисленные выше положения являются именно постулатами, т.е. не могут быть строго и последовательно доказаны экспериментальным или логическим путем, как, например, и основные аксиомы геометрии Эвклида. Тем не менее, при рассмотрении объектов и явлений материального мира, в т.ч. технических объектов, последовательное применение этих постулатов позволяет построить строгую теорию измерений (аналогично эвклидовой геометрии). В том числе определить основополагающие понятия «физическая величина» и «измерение».
Физической величиной называется одно из свойств физического объекта (явления, процесса), которое является общим в качественном отношении для многих физических объектов, отличаясь при этом количественным значением.
Измерением называется процедура нахождения размера физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.
Целью измерений является количественная оценка значения физической величины в принятых для нее единицах.
Из этих определений следует:
измерение есть не единичное элементарное действие, а определенная процедура.
размер физической величины может быть установлен только опытным (экспериментальным путем);
процедура измерения в обязательном порядке требует применения специальных технических средств.
С практической точки зрения измерение есть комплексная операция, которая состоит из следующей последовательности действий:
количественном сравнении физической величины с однородной ей физической величиной, которая принимается за единицу (эталон),
выполнении необходимых логических и вычислительных операций
представлении результата измерений в числовой форме с указанием точности измерений
Реализация указанного комплекса операций и достижение целей измерения возможно только при условии наличия метода измерений, т.е. научно-обоснованной процедуры определения данной физической величины в данных конкретных условиях существования объекта измерений, и наличии технических средств, которые обеспечивают реализацию выбранного метода.
Процедура измерений, как и всякий процесс получения и обработки информации, связана с обменом энергией между объектом и средствами измерений. Следовательно, проведение измерений неизбежно сопровождается изменениями в состоянии объекта. Вопрос только в том, насколько существенным будут эти изменения и как они повлияют на результат измерений Естественно, что предпочтение всегда должно отдаваться методам, обеспечивающим наименьшее искажение состояние объекта в процессе измерений (например, ультразвуковым, радиочастотным, оптическим).
Процесс измерения неизбежно изменяет состояние объекта.:
Невозможно с одинаково высокой точностью одновременно измерить все физические величины, характеризующие объект.
В реальности всегда существует множество различных факторов, в т.ч. несовершенство средств и методов измерений, в результате совокупного действия которых точность результатов измерений никогда не бывает абсолютной. Полностью объективное значение физических величин можно представить только теоретически. На практике значения величин, полученные при измерении, лишь в большей или меньшей степени будут приближаться к этому значению. Поэтому в зависимости от степени приближения к объективности различают истинное, действительное и измеренное значения физической величины
Истинное значение физической величины – значение физической величины, идеально отражающее в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта.
Истинное значение физической величины не может быть получено опытным путем, его можно определить только в результате теоретических расчетов
Действительное значение физической величины - значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него
Измеренное значение физической величины - значение физической величины, полученное при измерении с применением конкретных методов и средств измерений
В науке и в метрологии задачей измерений является получение численного значения физической величины с максимально возможной в данных условиях точностью. При этом, как правило, отсутствуют принципиальные ограничения на время проведения измерений, количество измерений, которые можно провести при неизменном состоянии объекта измерений, или возможность многократного воспроизведения этого состояния. Иная ситуация реализуется в технических измерениях, где, особенно в системах автоматического управления, измерения есть непрерывная процедура, которая должна выполняться в жестких временных рамках, привязанных к динамическим свойствам объекта измерений, и с точностью, определяемой задачей и объектом измерений.
Технические измерения проводятся в самых различных целях. Их типовыми задачами являются:
Измерение физических величин, характеризующих параметры технологических процессов, состояние технических устройств и агрегатов.
Эти измерения должны проводиться непрерывно, обеспечивать необходимую точность и быстродействие измерений, причем в условиях, когда невозможно исключить воздействия на процесс измерений многих негативных факторов, которые в научных исследованиях и метрологии можно заведомо устранить.
Контроль характеристик продукции, состояния технических устройств и агрегатов, которые обычно не требуются высокой абсолютной точности измерений.
Главное в этих задачах - с максимальной достоверностью установить, что значение измеряемого параметра (физической величины) находится в заданных пределах.
Испытания материалов, элементов устройств, готовой продукции.
Внешне методы и средства измерений при испытаниях близки к методам и средствам, применяемым в научных исследованиях и в метрологии. Однако, в производственных условиях всегда существуют дополнительные требования к временным и точностным характеристикам измерений.