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

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


Смотрите также:
Методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы обучения Составитель:...
Рабочая программа, методические указания...
Рабочая программа, методические указания...
Методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы обучения и экстерната...
Методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы обучения Специальность...
Методические указания и контрольные задания по курсу антенны и устройства свч для студентов...
Методические указания и контрольные задания по дисциплине «философия права» для студентов...
Рабочая программа, методические указания...
Низкотемпературных и пищевых технологий...
Программа, методические указания и задания контрольной и самостоятельной работы для студентов...
Методические указания и контрольные задания для студентов 1-2 курсов заочной формы обучения по...
Программа, методические указания и контрольные задания по дисциплине концепции современного...



Загрузка...
страницы:   1   2   3   4   5   6
скачать


МЕТРОЛОГИЯ


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


НОВОСИБИРСК

2006


Составители: В.К. Береснев, канд. техн. наук, доц.,

Г.Г. Матушкин, канд. техн. наук, доц.,

Рецензент


Работа подготовлена на кафедре

Систем сбора и обработки данных


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

  1. Общие сведения о метрологии и измерении физических

величин……………………………………………………………4

  1. Погрешности измерений…………………………………………8

  2. Измерительные преобразователи и интеллектуальные

датчики……………………………………………………………26

  1. Электромеханические и электронные аналоговые

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

  1. Измерительные мосты и компенсаторы постоянного и

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

  1. Цифровые измерительные приборы……………………………..32

  2. Приборы для анализа сигналов…………………………………..45

  3. Виртуальные измерительные приборы………………………….47

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

  5. Основы стандартизации и сертификации……………………….49

  6. 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 Rt=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.


Погрешностью измерения называют отклонение измеренного

значения физической величины от её истинного значения.


Погрешность измерений, в общем случае, может быть вызвана следующими причинами:

  1. Несовершенством принципа действия и недостаточным качеством элементов используемого средства измерения.

  2. Несовершенством метода измерений и влиянием используемого средства измерения на саму измеряемую величину, зависящим от способа использования данного средства измерения.

  3. Субъективными ошибками экспериментатора.

Так как истинное значение измеряемой величины никогда неизвестно (в противном случае отпадает необходимость в проведении измерений), то численное значение погрешности измерений может быть найдено только приближенно. Наиболее близким к истинному значению измеряемой величины является значение, которое может быть получено при использовании эталонных средств измерений (средств измерений наивысшей точности). Это значение условились называть действительным значением измеряемой величины. Действительное значение также является неточным, однако, из-за малой погрешности эталонных средств измерений, погрешностью определения действительного значения пренебрегают.


^ Классификация погрешносте


  1. По форме представления различают понятия абсолютной погрешности измерений и относительной погрешности измерений.


Абсолютной погрешностью измерений называют разность между

измеренным и действительным значениями измеряемой

величины:

,


где ∆ - абсолютная погрешность,

– измеренное значение,

– действительное значение измеряемой величины.

Абсолютная погрешность имеет размерность измеряемой величины. Знак абсолютной погрешности будет положительным, если измеренное значение больше действительного, и отрицательным в противном случае.


Относительной погрешностью называют отношение абсолютной

погрешности к действительному значению измеряемой величины:



где δ – относительная погрешность.

Чаще всего относительную погрешность определяют приближенно в процентах от измеренного значения:



Относительная погрешность показывает, какую часть (в %) от измеренного значения составляет абсолютная погрешность. Относительная погрешность позволяет нагляднее, чем абсолютная погрешность, судить о точности измеренного значения.


  1. По источникам происхождения погрешности подразделяют на следующие виды:

- инструментальные погрешности;

- методические погрешности;

- субъективные погрешности, допущенные экспериментатором .


Инструментальными называются погрешности, которые принадлежат данному типу средств измерения, могут быть определены при их испытаниях и занесены в паспорт средства измерения в виде пределов допускаемых погрешностей.


Инструментальная погрешность возникает из-за несовершенства принципа действия и недостаточно высокого качества элементов, применяемых в конструкции средства измерений. По этой причине реальная передаточная характеристика каждого экземпляра средства измерений в большей или меньшей степени отличается от номинальной (расчетной) передаточной характеристики. Отличие реальной характеристики средства измерений от номинальной (рис.1) определяет величину инструментальной погрешности средства измерений.




Рис.1. Иллюстрация к определению понятия инструментальной

погрешности.

Здесь: 1 – номинальная характеристика средства измерений;

2 – реальная характеристика средства измерений.

Как видно из рис.1, при изменении измеряемой величины, инструментальная погрешность может иметь различные значения (как положительные, так и отрицательные).

При создании средств измерений какой-либо физической величины, к сожалению, не удается полностью избавиться от реакции этого средства измерений на изменение других (не измеряемых) величин. Наряду с чувствительностью средства измерения к измеряемой величине, оно всегда реагирует (хотя и существенно в меньшей степени) на изменение условий эксплуатации. По этой причине инструментальную погрешность подразделяют на основную погрешность и дополнительную погрешности.


Основной погрешностью называют погрешность, имеющую место

в случае применения средства измерений в нормальных условиях

эксплуатации.


Номенклатура влияющих на средство измерений величин и диапазоны их изменений определяются разработчиками в качестве нормальных условий для каждого типа средств измерений. Нормальные условия эксплуатации всегда указываются в техническом паспорте средства измерений. Если эксперимент выполняется в условиях, отличных от нормальных для данного средства измерений, его реальная характеристика искажается сильнее, чем в нормальных условиях. Погрешности, которые при этом возникают, называют дополнительными.


Дополнительной погрешностью называют погрешность средств

измерений, которая возникает в условиях, отличающихся от

нормальных, но входящих в допустимую рабочую область условий

эксплуатации.


Рабочие условия эксплуатации, так же как и нормальные, в обязательном порядке приводятся в техническом паспорте средств измерений.

Инструментальная погрешность средств измерений определенного типа не должна превышать некоторого заданного значения – так называемой предельно допустимой основной погрешности средств измерений данного типа. Фактическая основная погрешность каждого конкретного экземпляра этого типа является при этом случайной величиной и может принимать различные значения, иногда даже равные нулю, но в любом случае инструментальная погрешность не должна превышать заданного предельного значения. Если это условие не выполняется, средство измерений должно быть изъято из обращения.


Методическими называются погрешности, которые возникают из-за неудачного выбора экспериментатором средства измерения для решения поставленной задачи. Они не могут быть приписаны средству измерения и приведены в его паспорте.


Методические погрешности измерения зависят как от характеристик применяемого средства измерений, так и во многом от параметров самого объекта измерения. Неудачно выбранные средства измерений могут исказить состояние объекта измерений. При этом методическая составляющая погрешности может оказаться существенно больше инструментальной.


Субъективными погрешностями называют погрешности,

допускаемые самим экспериментатором при проведении

измерений.


Этот тип погрешностей связан обычно с невнимательностью экспериментатора: применение прибора без устранения смещения нуля, неправильное определение цены деления шкалы, неточный отсчет доли деления, ошибки в подключении и т.п.


  1. По характеру проявления погрешности измерений подразделяют на:

- систематические погрешности;

- случайные погрешности;

- промахи (грубые ошибки).


Систематической называют погрешность, которая при повторных измерениях одной и той же величины остается постоянной, или изменяется закономерно.


Систематические погрешности обусловлены как несовершенством метода измерений и влиянием средства измерений на измеряемый объект, так и отклонением реальной передаточной характеристики применяемого средства измерений от номинальной характеристики.

Постоянные систематические погрешности средств измерений могут быть выявлены и численно определены в результате сличения их показаний с показаниями эталонных средств измерений. Такие систематические погрешности могут быть уменьшены регулировкой приборов или введением соответствующих поправок. Следует заметить, что полностью исключить систематические погрешности средств измерений не удается, так как их реальные передаточные характеристики изменяются при изменении условий эксплуатации. Кроме этого всегда имеют место так называемые прогрессирующие погрешности (возрастающие или убывающие), вызванные старением элементов входящих в состав средств измерений. Прогрессирующие погрешности могут быть скорректированы регулировкой или введением поправок лишь на некоторое время.

Таким образом, даже после регулировки или введения поправок, всегда имеет место так называемая неисключенная систематическая погрешность результата измерений.


Случайной называют погрешность, которая при повторных измерениях одной и той же величины принимает различные значения.


Случайные погрешности обусловлены хаотичным характером изменений физических величин (помех), влияющих на передаточную характеристику средства измерений, суммированием помех с измеряемой величиной, а также наличием собственных шумов средства измерений. При создании средств измерений предусматриваются специальные меры защиты от помех: экранирование входных цепей, использование фильтров, применение стабилизированных источников питающего напряжения и т.д. Это позволяет уменьшить величину случайных погрешностей при проведении измерений. Как правило, при повторных измерениях одной и той же величины результаты измерений либо совпадают, либо отличаются на одну, две единицы младшего разряда. В такой ситуации случайной погрешностью пренебрегают и оценивают только величину неисключенной систематической погрешности.

Наиболее сильно случайные погрешности проявляются при измерении малых значений физических величин. Для повышения точности в таких случаях производятся многократные измерения с последующей статистической обработкой результатов методами теории вероятности и математической статистики.


Промахами называют грубые погрешности, существенно превышающие ожидаемые погрешности при данных условиях проведения измерений.


Промахи большей частью возникают из-за субъективных ошибок экспериментатора или из-за сбоев в работе средства измерений при резких изменениях условий эксплуатации (броски или провалы сетевого напряжения, грозовые разряды и т.п.) Обычно промахи легко выявляются при повторных измерениях и исключаются из рассмотрения.


Оценка погрешностей косвенных измерений.

При косвенных измерениях результат измерений определяется по функциоральной зависимости от результатов прямых измерений. Поэтому погрешность косвенных измерений определяется как полный дифференциал этой функции от величин, измеряемых с помощью прямых измерений.

;

Где: - предельные абсолютные погрешности результатов прямых

измерений;

- предельная абсолютная погрешность результата косвенного

измерения;

- соответствующие предельные относительные погрешности.

- функциональная связь между искомой измеряемой величиной и

величинами, подвергающимися прямым измерениям.


Статистическая обработка результатов измерений


Из-за влияния на средство измерений помех различного происхождения (изменение температуры окружающей среды, электромагнитных полей, вибраций, изменения частоты и амплитуды сетевого напряжения, изменения атмосферного давления, влажности и т.д.), а также из-за наличия собственных шумов элементов, входящих в состав измерительных приборов, результаты повторных измерений одной и той же физической величины (особенно ее малых значений) будут в большей или меньшей степени отличаться друг от друга. В этом случае результат измерений является случайной величиной, которая характеризуется наиболее вероятным значением и разбросом (рассеянием) результатов повторных измерений вблизи наиболее вероятного значения. Если при повторных измерениях одной и той же величины результаты измерений не отличаются друг от друга, то это означает, что разрешающая способность отсчетного устройства не позволяет обнаружить это явление. В этом случае случайная составляющая погрешности измерений является несущественной и ею можно пренебречь. При этом неисключенную систематическую погрешность результата измерений оценивают по величине пределов допускаемых погрешностей применяемых средств измерений. Если же при повторных измерениях одной и той же величины наблюдается разброс показаний, то это означает, что наряду с большей или меньшей неисключенной систематической погрешностью, имеет место и случайная погрешность, принимающая при повторных измерениях различные значения.

Для определения наиболее вероятного значения измеряемой величины при наличии случайных погрешностей и для оценки погрешности, с которой определено это наиболее вероятное значение, применяется статистическая обработка результатов измерений. Статистическая обработка результатов серии измерений при проведении экспериментов позволяет решить следующие задачи.

  1. Более точно определить результат измерения путем усреднения отдельных наблюдений.

  2. Оценить область неопределенности уточненного результата измерений.

Основной смысл усреднения результатов измерений заключается в том, что найденная усредненная оценка имеет меньшую случайную погрешность, чем отдельные результаты, по которым эта усредненная оценка определяется. Следовательно усреднение не устраняет полностью случайного характера усредненного результата, а лишь уменьшает ширину полосы его неопределенности.

Таким образом, при статистической обработке, прежде всего, определяют наиболее вероятное значение измеряемой величины путем вычисления среднего арифметического всех отсчетов:



где: xi – результат i – го измерения;

n – число проведенных измерений в данной серии измерений.

После этого оценивают отклонение результатов отдельных измерений xi от этой оценки среднего значения ; .

Затем находят оценку среднеквадратического отклонения наблюдений, характеризующую степень рассеяния результатов отдельных наблюдений вблизи , по формуле:

.

Точность оценки наиболее вероятного значения измеряемой величины зависит от числа наблюдений . Нетрудно убедиться в том, что результаты нескольких оценок по одному и тому же числу отдельных измерений будут отличаться. Таким образом, сама оценка также является случайной величиной. В связи с этим вычисляется оценка среднеквадратического отклонения результата измерения , которую обозначают . Эта оценка характеризует степень разброса значений по отношению к истинному значению результата, т.е. характеризует точность результата, полученного усреднением результата многократных измерений. Следовательно, по может быть оценена систематическая составляющая результата серии измерений. Для различных она определяется по формуле:



Следовательно, точность результата многократных измерений увеличивается с ростом числа последних.

Однако в большинстве практических случаев нам важно определить не просто степень рассеивания значения погрешности при проведении серии измерений (т.е. величину ), а оценить вероятность возникновения погрешности измерения, не превышающую допустимую, т.е. не выходящую за пределы некоторого заданного интервала разброса получаемых погрешностей.





Скачать 0,95 Mb.
оставить комментарий
страница1/6
Дата28.09.2011
Размер0,95 Mb.
ТипПрограмма, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы:   1   2   3   4   5   6
отлично
  1
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх