Метрология
1.Виды методовизмерений
Конкретныеметоды измеренийопределяютсявидом измеряемыхвеличин, ихразмерами,требуемойточностьюрезультата,быстротойпроцесса измерения,условиями, прикоторых проводятсяизмерения, ирядом другихпризнаков.
Каждую физическуювеличину можноизмерить несколькимиметодами, которыемогут отличатьсядруг от другаособенностямикак технического,так и методическогохарактера. Вотношениитехническихособенностейможно сказать,что существуетмножествометодов измерения,и по мре развитиянауки и техники,число их всеувеличивается.С методическойстороны всеметоды измеренийподдаютсясистематизациии обобщениюпо общим характернымпризнакам.Рассмотрениеи изучение этихпризнаковпомогает нетолько правильномувыбору методаи его сопоставлениюс другими, нои существеннооблегчаетразработкуновых методовизмерения.
Для прямыхизмерений можновыделить несколькоосновных методов:метод непосредственнойоценки, дифференциальныйметод, нулевойметод и методсовпадений.
При косвенныхизмерентияхшироко применяетсяпреобразованиеизмеряемойвеличины впроцессе измерений.
2.Преобразованиеизмеряемойвеличины впроцессе измерений
Если мы проанализируемизвестные нампроцессы измерений, то обнаружим,что в подавляющембольшинствеслучаев мыполучаем числовоезначение измеряемойвеличины, толькопосле того, кактем или инымспособом видоизменимее. Рассмотримв качествепримера измерениемассы тела,которую мыизмеряем спомощью обыкновенныхравноплечихвесов. Под действиемземного притяжениясоздаются силы.Масса телавместе с этимисилами давитна одну чашку,а масса гирь- на другую. Подбираягири, мы добиваемсяравновесия,т.е. равенствоэтих сил. Этодает нам правосказать, чтомасса взвешиваемоготела равнамассе гирь,принимая, чтосила земногопритяженияна расстояниимежду чашкамиостается однойи той же. Каквидим, для измерениямассы нам пришлосьпреобразоватьмассы тела игирь в силы, адля срванениясил между собойпреобразоватьих действиев механическоеперемещениерычагов весов.
Другой пример- измерениедавления газапри помощитрубчатогоманометра.Металлическаятрубка манометра,изогнутая подуге, однимконцом соединяетсяс резервуаром,в котором необходимоизмерить давлениегаза. Другойконец трубкизапаян. Поддействиемдавления газатрубка разгибаетсяи тем больше,чем большедавление. Свободныйконец трубкиперемещаетсяв пространстве.Так осуществляетсяпервая ступеньпреобразования.Перемещение конца трубкипри помощисистемы рычагови зубчатокпреобразуетсяво вращениеоси (втораяступень преобразования).На оси находитсястрелка, конецкоторой перемещетсяпо дуге надшкалой с делениями.Эта третьяступень преобразования,позволяющаяполучить числовоезначение измеряемогодавления.
Приведенныепримеры показывают,что даже простыеизмеренияпроводятсяпутем преобразованияизмеряемойвеличины.
Необходимоотметить, чтопреобразованияизмеряемыхвеличин всегдатаят в себеопасностьвнесенияпогрешностей.Например, привзвешивании,описанном выше,мы не учли законаАрхимеда, всоответствиис которым вестела, находящегосяв какой - либосреде, уменьшаетсяна вес вытесненноготелом объемасреды, еслиплотностьматериала гирьотличаетсяот плотностивеществавзвешиваемоготела. Другимисловами, объемвытесненноговоздуха различен,при взвешиваниивлияние этогоявления можетисказить результат.Правда этовлияние оказываетсяочень небольшими учитыватьего приходитсятолько приточных взвешиваниях,в частности,при взвешиваниидрагоценныхметаллов.
Основным выводомиз сказанногоявляется то,что в подавляющембольшинствеслучаев измерениясвязаны спреобразованиемизмеряемойвеличины.
3.Метод непосредственнойоценки
Метод непосредственнойоценки даетзначение измеряемойвеличинынепосредственнобез каких - либодополнительныхдействий состороны лица,проводящегоизмерение, ибез вычислений,кроме умноженияегопоказаний напостояннуюизмерительногоприбора илицену деления.
Быстрота процессаизмеренияметодом непосредственнойоценки делаетего часто незаменимымдля практическогоиспользования,хотя точностьизмерениябывает обычноограниченной.
Наиболеемногочисленнойгруппой средствизмерений,служащих дляизмеренийметодом непосредственнойоценки, являютсяпоказывающиеприборы и вотчисле так называемыестрелочныеприборы. Показывающиеизмерительныеприборы нередков течение длительноговремени непосредственноконтактируютс измеряемойвеличиной.Указатель ихнепрерывноследует заизменениемэтой величины,что имеет большоезначение при осуществлениитехнологическихпроцессов,наблюденииза явлениямиприроды и т.п.
К показывающимизмерительнымприборамнепосредственнойоценки относятсяманометры,динамометры,барометры,амперметры,вольтметры,ваттметры,фазометры,расходомеры,тягомеры, напоромеры,жидкостныетермометрыи многие другие.
Измерение припомощи интегрирующегоизмерительногоприбора - счетчикатакже являетсяметодом непосредственнойоценки.
В ряде случаевсредство измеренийприводитсяв контакт сизмеряемойвеличинойтолько в тотмомент, когдавозникаетнеобходимостьузнать значениеэтой величины.К такой разновидностиметода непосредственнойоценки относятся,например, взвешиваниегрузов нациферблатныхвесах, измерениедлины при помощилинейки с делениямиили рулетки,измерениеэлектрическихвеличин припомощи переносныхприборов и т.п.
4.Разностныйили дифференциальныйметод
Этот методхарактеризуетсяизмерениемразности междуизмеряемойвеличиной ивеличиной,значение которойнеизвестно.Разностныйметод позволяетполучит результатыс высокой точностьюдаже при примененииотносительногрубых средствдля измеренияразности. Однакоосуществлениеметода возможнотолько приусловии воспроизведенияс большой точностьюизвестнойвеличины, значениекоторой близкок значениюизмеряемой.Это во многихслучаях оказываетсялегче, чем изготовитьсредство измеренийвысокой точности.
Проиллюстрируемсказанное напримере измерениядлины как наиболеенаглядном. Нарис.1 рядом стелом, длинуx которого следуетизмерить, помещенамера длины.Размер l мерыизвестен сдостаточной
точностью.Измеривнебольшуюразность между
длинами этихдвух предметовa, мы сможем узнать а
длину x=l+a. Предположим,что погрешностьизме-
рения размераa не превышаетa, тогдарезультат x
измерения можнобудет изобразитьвыражением l Рис.1
a±a илиa(1±a/a), гдеa/a - относительнаяпогрешностьизмерения а.
Определимотносительнуюпогрешностьизмерениявеличины x
x=l+a±a=(l+a)(1±a/(l+a)),
где a/l+a-относительнаяпогрешностьизмерения x.
Так как l значительнобольше a, тоотносительнаяпогрешностьизмерения xзначительноменьше относительнойпогрешностиизмерения a
a/(l+a)a/a.
Таким образом,для достижениятакой высокойточности мыможем воспользоватьсясравнительногрубым прибором.Преимуществаэтого методанесомненны,так как изготовитьточную меруи сравнительногрубый прибордля измерениянебольшихвеличин легче,чем средствоизмеренийвысокой точностидля измерениявсей величиныв целом.
В области линейныхи угловых измеренийразностныйметод измерениядлины получилнаименование“относительныйметод”. Приведемпример разностногометода из областиэлектрическихизмерений,применяемогопри проверкеизмерительныхтрансформаторовтока. Для определенияпогрешностикоэффициентовтрансформацииповеряемыйтрансформатортока сравниваютс образцовым.Принципиальнаяэлектрическаясхема поверкитрансформаторовдифференциальнымметодом показанана рис.2.
Рис.2
R-цепь, в которой
измеряетсяразность
вторичных токов
Ix - I0испытуемого(Tx)
и образцового(T0)
трансформаторов тока;
I1 - токв первичнойцепи
Как видим, первичныеобмотки обоихтрансформатороввключены в цепьодного и тогоже тока I1.Вторичныеобмотки включенытаким образом,что их токи Ixи I0 направленынавстречу другдругу. Разностьмежду этимитоками, измеряемаяпри помощи тогоили иного прибора,пропопрциональнаразностикоэффициентовтрансформации,т.е. погрешностикоэффициентатрансформациипроверяемоготрансформатора.Если погрешностькоэффициентатрансформацииобразцовоготрансформаторане равна нулю,в результатизмерениявносят соответствующуюпоправку. Приведеннаяна рисункесхема являетсяпринципиальной,т.е. упрощенной.В конструкциюустановок дляпроверкиизмерительныхтрансформаторовразностнымметодом введенряд дополнений,которые позволяютопределятьне только погрешностькоэффициентатрансформации,но и погрешностиугла сдвигафаз между токамив первичнойи вторичнойцепях. Аналогичнаясхема применяетсяи для проверкиизмерительныхтрансформаторовнапряжения.
Разностныйметод получаетвсе более широкоераспостранениево мнногихобластях измерений.
5.Нулевой метод
В истории развитиятехники точныхизмеренийнулевой методявляется однимиз первых.Взвешиваниегрузов на рычажныхвесах (какравноплечих,так и неравноплечих)- это характерныйпример нулевогометода измерения.
В общем виденулевой методзаключаетсяв следующем.Измеряемуювеличину сравниваютс величиной,значение которойизвестно. Последнюювыбирают такимобразом, чтобыразность междуизмеряемойи известнойвеличинамиравнялась 0.Совпадениезначений этихвеличин отмечаютпри помощинулевого указателя(нуль-индикатора).
При сравнениинулевого иразностногометодов можнонайти междуними нечтообщее. Если вразностномметоде мы измеряемразность междудвумя величинами,то в нулевоммы практическиприводим этуразность кнулю.
По сравнениюс разностнымметодом недостатокнулевого методазаключаетсяв необходимостииметь средствоизмерений,позволяющеевоспроизводитьлюбое значениеизвестнойвеличины безсущественногопониженияточности. Вбольшинствеслучаев этобывают мерыпеременногозначения илинаборы (магазины)мер, из которыхсоставляютсясочетания,воспроизводящиевеличины, равныеизмеряемым.Классическимпримером такихмер являютсянаборы гирь.
Практическиво многих случаяхметод, относимыйк нулевому,оказываетсяскорее разностным.Так, при взвешиваниина точных равноплечихвесах на чашкукладут гирив убывающемпорядке значенияих массы. В итогедостигаетсятакое положение,когда наложениегири с наименьшеймассой заставляетстрелку весовпереходитьчерез нуль иотклонятьсяв другую сторонуот него. В этомслучае прибегаютк методу интерполяции.
Интреполяциюв данном случаеможно рассматриватькак разностныйметод. При помощишкалы, указателяи гирьки с наименьшимзначением массыиы измеряемразность междуизмеряемоймассой и суммарноймассой гирьна другой чашке.
Однако нулевойметод обладаети существеннымпреимуществомпо сравнениюс разностным.При использованииразностногометода требуетсямера, значениекоторой близкок значениюизмеряемойвеличины. Дляизмерениянулевым методомможно применятьмеры, во многораз меньшиеэтой величины.Например, вразличных весахдля взвешиваниябольших массгиря 1 кг уравновешивается100; 1000 кг и более.Достигаетсяэто с помощьюнеравноплечихрычагов, применениекоторых позволяетзначительнорасширитьвозможностинулевого метода.
Изменениеизвестнойвеличины, служащейдля сравнения,не всегда удобнои возможно.Поэтомудля осуществлениянулевого методапоступаютследующимобразом. Используяпостояннуюпо значениювеличину, изменяютэффект ее действияпутем измененияплеча, к которомуона приложена.Можно привестиследующиепримеры. Длявзвешиванияприменяютбезмен, на одномплече которогопомещена гиря.Гиря передвигаетсявдоль плеча.Чем большевзвешиваемыйгруз, тем дальшеот точки опорыследует отодвинутьгирю. На плеченанесена шкала,указывающаязначениеуравновешенногогруза. Аналогичноеустройствоимеют многиетак называемыешкальные весы:от небольших- почтовых идетских добольших - автомобильныхи вагонных.
В электрическихизмеренияхшироко примненяютсямосты для измерениясопротивления,индуктивностии емкости. Нарис.3 показанасхема мостадля измерениясопротивленияx. Схема состоитиз трех сопротивленийс известнымизначениямиr1; r2; r3, нулевогоиндикатора- гальванометраG и источникатока Б. Изменяяодно из сопротивленийr, добиваются,чтобы указательгальванометране смещалсяс нуля. Это можетбыть толькотогда, когдамежду точками2 - 4 нет разностипотенциалов,или, другимисловами, падениенапряжениямежду точками1 - 2 равно падениюнапряжениямежду точками1 - 4. Как следствиепадения напряжениямежду точками2-3 и 3-4 также равнымежду собой.На основанииэтих равенствполучают формулуx/r2=r1/r3 или x=(r1*r2)/r3. В такоммосте изменяетсяизвестноесопротивление.
Рис.3
Схемамоста для измерения
электрическогосопротивления
6.Метод совпадения
Этот методхарактеризуетсяиспользованиемсовпаденияотметок шкалили периодическихсигналов. Приложимлинейку смиллиметровымиделениями клинейке с дюймовымиделениями исовместим ихнулевые отметки.При этом обнаружим,что точно совпадаютотметки, соответствующие127 мм и 5 дюймам;254 мм и 10 дюймами т.д. Отсюдаможно определить,что 1 дюйм=25,4 мм.
По принципуметода совпаденияпостроен нониусштангенциркуляи ряда другихприборов. Шкаланониуса штангенциркуляимеет десятьделений по 0,9мм. Когда нулеваяотметка шкалынониуса окажетсямежду отметкамиосновной шкалыштангенциркуля,это будет означать,что к целомучислу миллиметровследует прибавитьнекоторое числоx десятых долеймиллиметра(x*0,1). Для определениячисла x находимотметку шкалынониуса, совпадающуюс какой-либоотметкой основнойшкалы (Рис.4). Пустьтакой отметкойбудет n-я шкалынониуса. Таккак измеряемаядробная частьмиллиметра0,1 x равна разностимежду целымчислом миллиметровпо основнойшкале штангенциркуля(n мм) и расстояниемпо шкале нониусаот нулевой досовпадающейотметки, равногоn*0,9 мм, можно написать
0,1 x = n - n * 0,9 = 0,1 n, т.е. x = n.
Следовательно,порядковыйномер совпадающейотметки нониусанепосредственнодает числодесятых долеймиллиметра.На рисунке 4n=7 и 0,1 x = = 0,7 мм.
Рис.4 Шкаланониуса
Метод совпаденияприменяетсятакже при приемесигналов времени.По радио передаютсяритмическиесигналы ( имеютсяв виду не 6 сигналов),с которымисравниваютудары хронометра.Если бы интервалмежду передававемымиритмическимисигналами былравен 1 с, то онимогли бы несовпадать ссигналамихронометраво всем промежуткевремени передачи,а сравнениехода часов спередаваемымисигналами былобы оченть неточно.Поэтому ритмическиесигналы передаютячерез интервалывремени 1/60 корочесекунды. Другимисловами, числосигналов втечение 1 минутыравно 61. Ритмическиесигналы подаютсяв количестве5 серий в течение5 мин (всего 306сигналов) иявляются “нониусом”времени. Приодновременномпрослушиванииритмическихсигналов исигналов отчасов с секундныммаятникомотмечают совпадающиесигналы. Погрешностьчасов вычисляютпо интерваламвремени междусовпадающимисигналами.Принцип совпадениясигналов лежиттакже в основеметодов измерений,в которыхиспользуютсяявления биенийи интерференции,а также стробоскопическийэффект.
7.Преобразованиеизмеряемойвеличины каккосвенныеизмерения
При косвенныхизмеренияхрезультатопределяетсяна основанииизмеренийвеличин, связанныхс измеряемойвеличинойизвестнойзависимостью.При этом в качествепримероврассматривалисьслучаи, когдазакономернаязависимостьвыражаласьстрого математически.Однако строгаязакономерностьзависимостимежду величинамиможет бытьнеизвестна,хотя и известно,что такая зависимостьсуществует.Например, известно,что электродвижущаясила термопарызависит оттемпературы.Определитьэту зависимостьна основанииизвестных намзаконов физикимы не можемдаже для однойи той же парыметаллов. Наэту зависимостиьвлияют малейшиеотклоненияв составахсплавов и технологияих обработки.В этих случаяхнужную намзависимостьмы можем определитьметодом совместныхизмерений. Ине только определить,но и исследовать,и изучить постоянствои воспроизводимостьэтой зависимостивлияния на неевнешних воздействий.Когда зависимостьодной величиныот другой будетнам хорошоизвестна, мыимеем возможностьизмерять нужнуюнам величинуна основанииизмеренийдругих величин,связанных сизмеряемойизвестнойзависимостью.
Описанныеизмеренияследует такжеотнести к косвеннымизмерениямкак одну из егоразновидностей.Разновидностьюкосвенныхизмеренийявляется такжеслучай нахождениязначения измеряемойвеличины путемпрямых измеренийкомпонентовизвестнойформулы, определяющейее зависимостиот этих компонентов.Эта разновидностькосвенныхизмеренийотносится кслучаю нахождениязначения измеряемойвеличины поее зависимостиот других величин,определяемойпутем совместныхизмерений.Вторая разновидностькосвенныхизмерений можетрассматриватьсятак же, как измерениепутем преобразованияизмеряемойвеличины вдругую, по природесвоей существенноотличающуюсяот измеряемой,но связаннуюс ней устойчивойзависимостью.
8.Измеренияметодамипреобразования.Преобразованиеизмеряемыхвеличин в электрическиеи магнитные.
Рассмотримнекоторыетипичные методыи отдельныефизическиеявления илисвойства веществ,позволяющиепреобразовывватьизмеряемыевеличины вэлектрические.
1. Нагреваниеместа спая двухэлектродовиз разнородныхматериалов(спая термопары)вызывает появлениеэ.д.с. , чтопозволяетизмерять температуру.
2. Нагреваниеэлектрическихпроводникови полупроводниковвызывает изменениеих сопротивления(термометрысопротивления,термисторы)
3. Растяжениеили сжатиенекоторыхметаллов впределах ихупругостивызывает изменениеих электрическогосопротивления.Это явлениедает возможностьизготовлятьэлектротензометрыи измерятьмалые деформациител и усилияв условиях, прикоторых измерениедругими методаминевозможно,например, деформацииразличныхчастей машинво время ихработы.
4. В граничномслое междунекоторымиполупроводникамии металламипри его освещениивозникаетэ.д.с. Это явлениеназываютфотоэлектрическимэффектом. Наиспользованииего основаныфотоэлементы.
5. Электрическоесопротивлениенекоторыхполупроводниковпод действиемсвета весьмазаметно изменяется.Это явлениеиспользуетсядля изготовленияфотосопротивлений.
6. Зависимостьяркости свечениятела от температуры,которая в своюочередь зависитот силы тока,накаливающегонити, позволяетизмерять температурубесконтактнымметодом, напримерс помощью оптическогопирометра.
7. На граняхнекоторыхкристаллов,когда к 2 гранямприложена сила,сдавливающаяили растягивающаяих, возникаетэ.д.с. Это явлениеназвано пьезоэлектрическимэффектом. Этотэффект получилсамое разнообразноеприменение.Особое значениеэтот эффектимеет длястабилизациичастоты высокочастотныхгенераторов.Для этой целикак правилоприменяютсякристаллыкварца. Так,кварцевые часы,основанныена использованиипьезоэлектрическогоэффекта в кварце,были до недавнеговремени наиболееточными приборамидля измеренияинтерваловвремени.
8. Магнитнаяпроницаемостьтел из ферромагнитныхматериаловизменяетсяв зависимостиот приложенныхк ним механическихсил. Наблюдаетсяи обратноеявление: вферромагнитномтеле при внесенииего в магнитноеполе возникаютмеханическиедеформации.Эти явленияполучили названиемагнитострикции.Магнитострикционныепреобразователиприменяютсяглавным образомв технике измерениязвуковых иультразвуковыхколебаний.
9. Как известно,электрическаяемкость плоскогоконденсаторавыражаетсяформулой
C=eS/D,
где C - емкостьконденсатора
e-диэлектрическаяпроницаемостьдиэлектрика,находящегосямежду обкладками;S - площадь егообкладок
d- расстояниемежду обкладками
Измерениеэлектрическойемкости используютдля измерениямалых размерови малых перемещений.
10. Перемещениеизмеряют такжепо изменениюиндуктивностикатушки с сердечникомиз магнитомягкогоматериала.
11. Существуетеще ряд способовпреобразованияпоказаний тогоили иногоизмерительногоприбора вэлектрическуювеличину, удобнуюдля передачина расстояние,т.е. для телеизмерений.Каналами передачипреобразованныхпоказанийприборов являютсяэлектрическиепровода и каналырадиосвязи.
СОДЕРЖАНИЕ стр.
1. Виды методовизмерений.............................................................................1
2. Преобразованиеизмеряемойвеличины впроцессеизмерения................1
3. Метод непосредственнойоценки................................................................2
4. Разностныйили дифференциальныйметод................................................3
5. Нулевойметод...............................................................................................5
6. Методсовпадения.........................................................................................7
7. Преобразованиеизмеряемойвеличины каккосвенноеизмерение..........8
8. Измерениеметодамипреобразования........................................................9
МОСКОВСКАЯГОСУДАРСТВЕННАЯАКАДЕМИЯАВТОМОБИЛЬНОГОИ ТРАКТОРНОГОМАШИНОСТРОЕНИЯ
РЕФЕРАТ ПОМЕТРОЛОГИИ
НА ТЕМУ
“Методыизмерений”
Выполнил:
Студент группы3-ЭФМ-6
КузеченковБ.В.
МОСКВА-1995.