Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
3. Измерение физических величин
3.1.Шкалы измерений. Понятие измерения
Количественной характеристикой любого измерения является размер физической величины. Для количественного и качественного формирования представления о свойствах объекта используют понятие шкал измерения. В теории измерения принято различать пять типов шкал: шкалы наименований, порядка (ранга), разностей (интервалов), отношений и абсолютная шкала.
Шкала ФВ – это упорядоченная совокупность значений ФВ, служащая исходной основой для измерения данной величины.
Шкала наименований - самый простой тип шкал, основанный на приписывании объекту цифр или знаков, играющих роль простых имен. В них отсутствует понятия нуля, больше или меньше и единицы измерения. Примером такой шкалы является распространенная классификация (оценка) цвета по наименованиям (атласы цветов содержат до 1000 наименований).
Шкалы порядка (ранга) представляет расположенные в порядке возрастания или убывания размеры измеряемой величины. Полученный при этом упорядоченный ряд называется ранжированным рядом, а саму процедуру – ранжированием. Ранжированный ряд может дать ответ на вопросы типа «что больше или меньше» или «что лучше или хуже». Более полную информацию – на сколько больше или во сколько хуже шкала порядка дать не может. Результаты оценивания по шкале порядка не могут подвергаться никаким арифметическим действиям. Примерами таких шкал являются: знания студентов по баллам, землетрясения по 12-бальной шкале, сила ветра по шкале Бофорта, твердость по шкале Мооса.
Шкалы разностей (интервалов) отличаются от шкал порядка тем, что по шкале интервалов можно судить не только о том, что размер больше другого, но и на сколько больше. Такие шкала\ы состоят из одинаковых интервалов, имеют единицу измерения и произвольно выбранное начало – нулевую точку. Характерным примером является шкала интервалов времени, поскольку интервалы времени можно суммировать или вычитать. Например, летоисчисление по различным календарям. Примером шкал интервалов является и шкала температур. По шкале интервалов возможны такие действия как сложение и вычитание. Однако определить во сколько раз одно значение больше или меньше другого невозможно, поскольку по шкале не определено начало отсчета физической величины.
Шкалы отношений представляют интервальную шкалу с естественным началом. Примером является шкала длин. Температурная шкала Кельвина также является шкалой отношений, т.к. в ней за начало температурной шкалы принят абсолютный ноль (более низкой температуры в природе не существует).
Шкала отношений является самой совершенной, наиболее информативной. Результаты измерений по шкале отношений можно складывать между собой, вычитать, перемножать или делить.
Под абсолютными понимают шкалы, обладающие всеми признаками шкал отношений, но дополнительно имеющие естественное однозначное определение единицы измерения и не зависящие от принятой системы единиц измерения. Такие шкалы соответствуют относительным величинам: коэффициенту усиления, ослабления.
Прежде чем сформулировать принятое в метрологии определение понятия «Измерения», отметим следующее. Измерять можно лишь свойства реально существующих объектов, отражаемые физическими величинами. Измерение основывается на экспериментальных процедурах, никакие теоретические рассуждения и математические расчеты сами по себе не могут классифицироваться как измерения. Для проведения измерительного эксперимента необходимы особые технические средства – средства измерений. С учетом этих положений принято следующее определение:
Измерение – операция нахождения значения ФВ опытным путем с помощью специальных технических средств, в результате которой определяется, во сколько раз измеряе мая величина больше или меньше соответствующей величины, принятой за единицу.
3.2.. Виды измерений.
Измерения могут быть классифицированы по ряду признаков.
Можно выделить следующие виды измерений
1. По характеру зависимости измеряемой величины от времени
1.1 Статические - при которых измеряемая величина остается постоянной во времени, например, измерение размеров тела.
1.2. Динамические – в процессе которых измеряемая величина изменяется во времени. Это проявляется в виде отставания показания средства измерения от истинного значения величины в каждый момент времени. Это отставание зависит от инерционных свойств средства измерения, а также от скорости изменения самой измеряемой величины. Примеров является измерение пульсирующих давлений, вибраций.
2. По способу получения результата, что является целью любого измерения, подразделяются на прямые, косвенные, совокупные, совместные. Это также называется видами измерений.
2.1. Прямые измерения - это измерения, при которых искомое значение измеряемой величины находится непосредственно из опытных данных. К прямым относится подавляющее большинство измерений, применяемых на практике, например, измерение массы при помощи весов, температуры – термометром, напряжения – вольтметром
2.2. Косвенные измерения - это измерения, при которых искомое значение измеряемой величины находится на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, найденными прямым измерениям. Например, измерение плотности по результатам прямых измерений массы и объема; измерение активного сопротивления по результатам прямых измерений напряжения и силы тока.
2.3.Совокупные измерения - это одновременные измерения нескольких одноименных величин, при которых искомое значение измеряемой величины находится путем решения системы уравнений, получаемой при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.
Типичным примером совокупных измерений является определение номинальных величин масс отдельных гирь по образцовой величине массы какой либо гири.
2.4. Совместные измерения - это одновременные измерения нескольких не одноименных величин с целью нахождения зависимости между ними.
Примером могут служить ряд одновременных измерений электрического сопротивления материала при различных температурах для установления зависимости сопротивления от температуры.
3. По метрологическому назначению:
3.1. Метрологические измерения – выполняются при помощи эталонов с целью воспроизведения единиц ФВ или для передачи их размера рабочим средствам измерения, например, при поверке.
3.2. Технические измерения – измерения, выполняемые в процессе производства на предприятиях.
4. По числу измерений бывают:
4.1. Однократные – это одно измерение одной измеряемой величины. Практическое применение такого вида измерений всегда сопряжено с большими погрешностями.
4.2. Многократные измерения – измерение каждой ФВ более чем один раз.
3.3. Методы измерений
Прямые измерения являются основой более сложных измерений и могут быть выполнены различными методами.
Под методами измерения подразумевается совокупность приемов, принципов и средств измерения.
Можно выделить следующие методы измерений.
1. По способу получения значений измеряемых величин: метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой.
1.1.. Метод непосредственной оценки заключается в определении значения измеряемой величины непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия, отградуированного в единицах измеряемой величины. Это наиболее распространенный метод измерения, его реализуют большинство средств измерений, например, измерение напряжения электромеханическим вольтметром.
2.2. Методы сравнения с мерой, или методы сравнения, заключаются в сравнении измеряемой величины с величиной, воспроизведенной мерой. Следовательно, отличительной особенностью этих методов является непосредственное участие мер в процессе измерения. К методам сравнения относятся дифференциальный,, нулевой, замещения и совпадений.
а) Дифференциальный метод заключается в сравнении с мерой, при котором на измерительный прибор воздействует разность между измеряемой величиной и известной величиной, воспроизводимой мерой. Т.о. измеряемая величина сравнивается с мерой и о значении величины Х судят по измеряемой прибором разности ΔХ=Х-ХМ и по известной величине ХМ, воспроизводимой мерой. Следовательно, Х= ΔХ+ХМ. Примером является измерение массы на весах (рис. 1. а).
Рис. 1. Методы сравнения с мерой
б) Нулевой (компенсационный) метод является разновидностью дифференциального метода и заключается в сравнении с мерой, при котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводится до нуля. Это контролируется специальным измерительным прибором высокой точности – нуль-индикатором. В данном случае значение измеряемой величины равно значению, которое воспроизводит мера. Высокая чувствительность нуль-индикатора, а также выполнение меры с высокой точностью позволяют получить малую погрешность измерения. Пример нулевого метода – взвешивание на весах, когда на одном плече находится взвешиваемый груз, а на другом – набор эталонных грузов (рис. 1, б).
в) метод замещения – в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Например, взвешивание на пружинных весах в два приема. Вначале на чашу весов помещают взвешиваемую массу и отмечают положение указателя весов, затем измеряемую массу замещают массой гирь, подбирая их таким образом, чтобы указатель весов устанавливался в том же положении, что и в первом случае.
г) в методе совпадений разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал. Например, совпадение основной и нониусной отметок шкал в штангенприборах для измерения линейных размеров.
2. В зависимости от измерительных средств, используемых в процессе измерения, различают:
1. Инструментальный метод, основанный на использовании специальных технических средств.
2. Экспертный метод основан на использовании данных нескольких специалистов. Широко применяется в квалиметрии, спорте, искусстве, медицине.
3. Эвристические методы оценки основаны на интуиции.
4. Органолептические методы оценки основаны на использовании органов чувств человека.
3. По связи с объектом различают:
1. Контактный – основанный на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерений. Например, измерение температуры ртутным термометром.
2. Бесконтактный метод измерения состоит в том, что чувствительный элемент прибора не приводится в контакт с объектом измерения. Например, измерение температуры с помощью пирометров.
4. Средства измерений
4.1. Классификация средств измерений.
Средства измерений - техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины.
По метрологическому назначению различают рабочие и эталонные средства измерений. Рабочее средство измерений – средство измерений, предназначенное для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измерений. Эталонные средства применяются при поверке в соответствии с установленными правилами.
Основное средство измерений – средство измерений той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей.
Вспомогательное средство измерений – средство измерений той физической величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерений необходимо учитывать.
В зависимости от функционального назначения и конструктивного исполнения различают такие виды средств измерений, как
-меры,
-измерительные преобразователи,
-измерительные приборы,
-индикаторы,
-измерительные установки,
-измерительные системы,
-измерительно-вычислительные комплексы.
1. Простейшим средством измерений является мера. Мера физической величины – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины заданного размера. Главная отличительная особенность меры – отсутствие каких-либо преобразований измерительной информации самим средством измерений.
Различают однозначные и многозначные меры.
Однозначные меры воспроизводят физическую величину одного размера. В качестве примеров однозначных мер можно назвать гирю (мера массы), угольник (мера прямого угла). Многозначные меры могут воспроизводить ряд размеров ФВ. К многозначным мерам следует отнести измерительную линейку, транспортир.
К однозначным мерам относятся также Стандартные образцы состава и свойств веществ и материалов, которые представляют собой специально оформленные тела или пробы вещества определенного и строго регламентированного содержания. К ним относятся образцы твердости, шероховатости.
2. Измерительные преобразователи предназначены для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.
По месту, занимаемому в измерительной цепи, различают преобразователи первичные, промежуточные и передающие
1. Первичные преобразователи (датчики), к которым подводится измеряемая величина. Эти преобразователи являются первыми в измерительной цепи и предназначены для первичного преобразования физической измеряемой величины в форму, удобную для дальнейшего использования.
2. Промежуточные преобразователи, которые занимают в измерительной цепи место после первичного преобразователя и предназначены для осуществления необходимых преобразований (усиление, выпрямление, сглаживание и т.п.).
3. Передающие преобразователи, предназначенные для дистанционной передачи сигналов измерительной информации
Преобразователи могут быть электрическими, гидравлическими, пневматическими, пневмоэлектрическими, электропневматическими, АЦП, ЦАП.
3. Измерительные приборы (или просто приборы) предназначены для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.
В зависимости от функции измерительные приборы подразделяются на следующие группы:
1. Показывающие - приборы, которые обеспечивают только отсчет показаний.
2. Регистрирующие - приборы, которые обеспечивают регистрацию показаний.
3. Интегрирующие - приборы, в которых измеряемая величина интегрируется по времени или другой независимой переменной.
4. Суммирующие - приборы, показания которых функционально связаны с суммой двух или нескольких величин, подводимых к прибору по различным каналам.
Некоторые виды приборов выполняют несколько функций, обеспечивая, например, одновременно и выдачу показаний и запись измеряемой величины.
4. Индикатор – техническое средство или вещество, предназначенное для установления наличия какой-либо физической величины или превышения уровня ее порогового значения.
Индикатор близости к нулю сигнала называют нулевым или нуль-индикатором. При химических реакциях в качестве индикатора применяют лакмусовую бумагу и какие-либо вещества.
5. Измерительные установки предназначены для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, и представляют собой совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, расположенных в одном месте и связанных единством конструктивного исполнения. Например, установка для измерений удельного сопротивления электротехнических материалов.
6. Измерительная система – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях.
7. Измерительно-вычислительный комплекс – функционально объединенная совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения в составе измерительной системы конкретной измерительной задачи.
4.2.Типовые элементы СИ
Очевидно, что и простые и более сложные средства измерений могут включать типовые элементы, к которым можно отнести:
Чувствительный элемент средства измерений (чувствительный элемент) – часть измерительного преобразователя в измерительной цепи, воспринимающая входной измерительный сигнал, например, медный чувствительный элемент термопреобразователя сопротивления.
Показывающее устройство средства измерений – совокупность элементов средства измерений, которые обеспечивают визуальное восприятие значений измеряемой величины или связанных с ней величин. Очевидно, показывающие устройства приборов чаще всего выполнены в виде системы шкала-указатель или числового табло.
Шкала средства измерений – часть показывающего устройства средства измерений, представляющая собой упорядоченный ряд отметок вместе со связанной с ними нумерацией.
Различают начальное значение шкалы (наименьшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений) и конечное значение шкалы (наибольшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений). Так для медицинского термометра начальным значением шкалы является 34,3 °С, а конечным значением шкалы является 42 °С.
Показывающее устройство «цифрового» измерительного прибора называется табло цифрового измерительного прибора.
Регистрирующее устройство средства измерений – совокупность элементов средства измерений, которые регистрируют значение измеряемой или связанной с ней величины. В качестве регистрирующего устройства могут использоваться самописцы, печатающие устройства (символьные, в частности цифропечатающие; матричные, формирующие изображение из точек), устройства с фоторегистрацией или магнитной регистрацией данных и другие.
ВОПРОСЫ:
PAGE 11
mx m0
m0=mx
б)
m0
mx
mx=m0+ EMBED Equation.3 m
а)
а)
EMBED Equation.3