Метрология, методы и приборы технических измерений

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Вся история человечества сопровождалась и сопровождается использованием измерений: без них невозможно ни одно научное открытие, изобретение. Еще М.В. Ломоносов писал: «Через геометрию вымеривать, через механику развешивать, через оптику высматривать». Измерения служат источником нашего научного знания. «В физике существует только то, что можно измерить» (Макс Планк).

Производство промышленной продукции сопровождается большим числом всевозможных измерений. Посредством измерений определяют соответствие изготовленных деталей и изделий в целом требованиям конструкторской документации. Подсчитано, что доля затрат на измерительную технику составляет не менее 15% затрат на оборудование в машиностроении и свыше 25% - в радиоэлектронике, самолетостроительной, химической и некоторых других отраслях промышленности.

Улучшение качества продукции в значительной степени обусловлено тем, насколько хорошо организована измерительная служба предприятия. Нельзя управлять тем или иным процессом без контроля его показателей.

Совершенствование техники измерений, проявляющееся в повышении точности измерений и в создании новых методов и приборов, способствует новым достижениям в науке.

Так, например, увеличение точности взвешивания на один знак привело к открытию в 1892-1984 гг. нового газа аргона, который до этого, ввиду неточности измерений, обнаружить не удавалось. Введение в экспериментальную практику микроскопа создало исключительные возможности для исследования микроорганизмов и привело к созданию микробиологии. Часто необходимость исследования тех или иных явлений вызывает необходимость создания новой, более совершенной аппаратуры. Новые открытия в науке, в свою очередь, приводят к совершенствованию техники измерений, а также к созданию новых приборов.

Первые попытки количественных исследований электрических явлений в природе потребовали создания для этой цели специальных измерительных приборов. Еще в 1744 г. М.И. Ломоносов высказал замечательную мысль о том, что «электричество взвешено быть может». С этой целью он совместно с Г.В. Рихманом создал первый в мире электроизмерительный прибор - «указатель электрической силы», имевший указатель и шкалу.

В дальнейшем по мере развития теории электричества были открыты новые законы, на основании которых разрабатывались новые методы измерений и приборы, совершенствовалась практика измерения.

До открытия радио А.С. Поповым измерение развивалось лишь в области постоянного тока и низкой частоты. Но уже в 1905 г. А.С. Попов предложил дифференциальный мостик для измерения малых емкостей, который был применен для учета влияния такелажа на работу судовых антенн. В этом же г. на заседании физического отделения Русского физико-химического общества он сделал доклад "Об определении длины волны и периода колебаний", в котором сообщил об изобретенном им резонансном волномере.

С появлением измерительных приборов и развитием методов измерений возникла новая область науки - метрология - как наука о точных измерениях.

Большой вклад в развитие отечественной метрологии внес Д.И. Менделеев, возглавивший в 1893 г. Главную палату мер и весов, в задачи которой входило не только хранение эталонов и обеспечение поверки по ним средств измерений, но и проведение научных исследований в области метрологии. Стали создаваться местные поверочные палаты.

Основоположником отечественной радиоизмерительной техники признан академик М.В. Шулейкин, организовавший в 1013 г. первую заводскую лабораторию по производству радиоизмерительных приборов. Большой вклад в развитие радиоизмерений внесен академиком Л.И. Мандельштамом, создавшим в начале XX века прототип современного электронного осциллографа.

Теоретической основой измерений является метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Понятие «измерение» встречается в различных науках (математике, физике, химии, психологии, экономике и др.), но в каждой из них оно может толковаться по-разному. В данном учебном пособии рассматриваются только задачи, относящиеся к измерениям физических величин в области радиоэлектроники.

К ним относятся:

· измерение параметров деталей или элементов, из которых состоит измеряемый объект;

· измерение режимов отдельных деталей, узлов и всего измеряемого объекта;

· градуировка или проверка градуировки шкал различных приборов;

· снятие характеристик, определяющих свойства приборов и устройств;

· определение искажений сигналов при их прохождении через различные устройства;

· измерение параметров модулированных сигналов;

· измерение напряженности электромагнитных полей, как полезных, так и мешающих;

· нахождение неисправностей в радиотехнической аппаратуре и определение их характера.

Кроме того, сюда можно отнести погрешности измерений, способы их учета и уменьшения, оценку результатов измерения.

1. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ В ОБЛАСТИ МЕТРОЛОГИИ

В любой науке недопустимо произвольное толкование применяемых терминов. Терминологию в области метрологии регламентирует ГОСТ 16263-70 «ГСМ. Метрология. Термины и определения». Для каждого понятия устанавливается один стандартизованный термин, которому дается соответствующее определение.

Метрология - наука об измерениях, методах и средствах их единства и способах достижения требуемой точности. В связи с этим можно сформулировать основные задачи метрологии: теоретические вопросы обеспечения единства измерений и достижения требуемой точности; установление обязательных правил, требований и организационных мероприятий, направленных на достижение этих целей.

Различают теоретическую и законодательную метрологию.

Теоретическая метрология включает в себя разработку и совершенствование теоретических основ измерений и измерительной техники, научных основ обеспечения единства измерений в стране. Она включает в себя следующие основные проблемы:

развитие общей теории измерений и теории погрешностей, в том числе создание новых методов измерений и разработка способов исключения или уменьшения погрешностей;

· создание и совершенствование систем единиц физических величин;

· создание и совершенствование системы эталонов;

· создание и совершенствование научных основ передачи размеров единиц физических величин от эталонов к рабочим средствам измерений.

Законодательная метрология - раздел метрологии, включающий комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, требований и норм, а также другие вопросы, требующие регламентации и контроля со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразие средств измерений. Ее основные задачи:

· создание и совершенствование системы государственных стандартов, которые устанавливают правила, требования и нормы, определяющие организацию и методику проведения работ по обеспечению единства и точности измерений;

· организация и функционирование соответствующей государственной службы.

Целью измерения является определение размера величины, причем результат измерений должен выражаться числом.

Возможное рабочее описание термина «измерение», согласующееся с нашей интуицией, звучит так: «Измерение - это получение информации». Одним из наиболее существенных аспектов измерения является сбор информации. Это означает, что результат измерения должен описывать то состояние или то явление в окружающем нас мире, которое мы измеряем. Хотя получение информации очевидно, оно является лишь необходимым, но не достаточным для определения измерения: когда кто-то читает учебник, он накапливает информацию, но не выполняет измерения. Второй аспект измерения состоит в том, что оно должно быть избирательным. Оно может снабдить нас сведениями только о том, что мы хотим измерить (об измеряемой величине) но ничего не говорит ни об одном из многих других состояний или явлений вокруг нас. Третий аспект состоит в том, что измерение должно быть объективным. Исход измерения не должен зависеть от наблюдателя. Любой наблюдатель должен извлекать из измерений одну и ту же информацию и приходить к одним и тем же выводам.

Измерение - это совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, заключающуюся в сравнении (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей с целью получения значения этой величины (или информации о нем) в форме, наиболее удобной для использования.

Физическая величина - характеристика одного из свойств физического объекта, общая в качественном отношении для многих физических объектов (физических систем, их состояний и происходящих в них процессов), но в количественном отношении индивидуальная для каждого объекта.

Процесс измерения заключается в сравнении измеряемой величины с некоторым ее значением, принятым за единицу.

Результатом измерения является число, показывающее отношение значения измеряемой величины к единице измерения.

Единицей измерения называют физическую величину с числовым значением «1», принятую за основание для сравнения с величинами того же рода. Единицы измерения подразделяются на основные и производные. Для возможности сравнения результатов измерений, выполненных в разное время и в разных местах, система единиц устанавливается в законодательном порядке (ГОСТ 8.417-81 ГСИ). У нас принята Международная система единиц (СИ), построенная на семи основных единицах: метр, килограмм, секунда, ампер, кандела, кельвин, моль. На основе данных величин образованы производные единицы СИ (таблица 1.1).

Таблица 1.1 - производные единицы СИ

Герц	Гц	Hz	c-1
Ньютон	Н	N	мхкгхc-2
Паскаль	Па	Pa	м -1хкгхc-2
Джоуль	Дж	J	м -2хкгхc-2
Ватт	Вт	W	м -2хкгхc-3
Кулон	Кл	C	схА
Вольт	В	V	м 2хкгхc3хА-1
Фарада	Ф	F	м -2хкгхc-3хА-2
Ом	Ом	Щ	м 2хкгхc-2хА-2
Сименс	См	S	м -2хкг-1хc3хА2
Вебер	Вб	Wb	м 2хкгхc-2хА-1
Тесла	Тл	T	кгхc-2хА-1
Генри	Гн	H	м2хкгхс-2хА-2
Люмен	лм	lm	кдхср
Люкс	лк	1х	м-2хкдхср
Беккерель	Бк	Bq	с-1
Грэй	Гр	Gy	м2 хс-2
Зиверт	Зв	Sv	м2 хс-2

В технике связи широко применяется внесистемная логарифмическая единица децибел (ДБ), при помощи которой определяются относительные значения усиления, ослабления, нелинейных искажений, неравномерности характеристик.

1 дБ равен 10 lg отношения двух одноименных энергетических величин (мощности, энергии) при P1/P2 = 101/10 = 1,259. Для «силовых» величин (напряжения, силы тока, напряженности поля) 1 дБ равен 20 lg их отношения, если U1/U2 = 101/20= 1,22.

Для выражения количественного различия между одноименными величинами используют понятие размер физической величины - количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию «физическая величина». Размер величины существует объективно, независимо от того, знаем мы его или нет, можем его измерить или нет.

Размерность физической величины - выражение в форме степенного одночлена, составленного из произведений символов основных физических величин в различных степенях и отражающее связь данной физической величины с физическими величинами, принятыми в данной системе величин за основные, и с коэффициентом пропорциональности, равным единице.

Не всякая физическая величина может быть измерена, так как не всякая физическая величина допускает сравнение ее значений. Измеримой, величиной может быть лишь такая, из определения которой следуют понятия «больше» и «меньше» и возможность сравнения значений. Очевидно, что измеряемая величина может принимать значение «0».

Большинство физических величин удовлетворяют этим требованиям. Например, масса, длина, индуктивность, сопротивление и т.д. Но такая величина, как твердость, для возможности осуществления измерения требует особого определения. Действительно, если судить о твердости по тому, оставляют ли царапины на испытуемом предмете последовательно алмаз, корунд, топаз, кварц, полевой шпат и т.д., как это принято в минералогии, то такое определение твердости не содержит в себе необходимых элементов для осуществления измерения. Но определение Бринелля, согласно которому твердость оценивается по диаметру углубления в испытуемом предмете, получающегося при известных условиях, уже удовлетворяет требованиям измеримости.

Значение нуля для ряда случаев является условным. Например, при измерении степени нагретости тел мы вынуждены условиться о «начале отсчета» (нулевом значении) и, в сущности, измерять не температуру тела, а лишь условный температурный промежуток, разность температур.

Приведенное выше определение процесса измерения предполагает, что обязательным звеном этого процесса является единица измерения.

Все вышеизложенное предполагает узаконенность принятой терминологии и связанное с этим существование таких понятий, как единство измерений и единообразие средств измерений.

Единство измерений - состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью.

Единообразие средств измерений - состояние средств измерений, характеризующееся тем, что они проградуированы в узаконенных единицах и их метрологические свойства соответствуют нормам.

Для организации обеспечения единства измерений и единообразия средств измерений в стране создана метрологическая служба.

Метрологическая служба - сеть государственных и ведомственных органов и их деятельность, направленная на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений в стране. Эти органы осуществляют надзор за состоянием средств измерений и обеспечивают передачу размера единиц физических величин от эталонов к рабочим средствам измерений.

Всякое измерение необходимо предварительно обдумать, составить план проведения измерений. В связи с этим в теории измерений вводится такое понятие, как методика измерений.

Методика измерений - детально намеченный распорядок процесса измерений при выбранных схеме и комплексе приборов, включающий правила, последовательность операций, количество измерений и т.д. Применительно к одной и той же схеме измерений и данному комплексу аппаратуры возможны различные методики, и наоборот, для проведения измерений по одной методике можно использовать различные схемы измерений и аппаратуру.

В процессе измерений или установки параметров источников сигналов оператор снимает отсчеты или показания.

Отсчет - это число, указываемое индикатором прибора. В стрелочных приборах отсчет - это число, написанное у деления шкалы, на котором установилась стрелка; в цифровых - число, наблюдаемое на передней панели в виде светящихся цифр; иногда отсчетом является число, написанное у деления лимба, находящегося против визирной линии.

Показание - физическая величина, соответствующая отсчету. Показание получается в результате умножения отсчета на переводной множитель.

Например, если отсчет по шкале вольтметра 20 В, переключатель «Множитель» установлен против отметки 0,1, то показание прибора будет 2 В.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

Информация, полученная в процессе измерений, называется измерительной.

По способу получения измерительной информации измерения делятся на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямое измерение - это измерение, при котором искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных (например, измерение силы тока амперметром). Математически прямые измерения можно записать элементарной формулой

Q = X (2.1)

где Q - искомое (истинное) значение физической величины;

X - значение физической величины, найденное путем ее измерения и называемое результатом измерения.

Косвенное измерение - измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Косвенные измерения выражаются следующей формулой:

Q = F(X1 Х2,... Xm) (2.2)

где Х1 Х2, ... Хm - результаты прямых измерений величин, связанных известной функциональной зависимостью F с искомым значением измеряемой величины Q (например, при измерении сопротивления методом амперметра-вольтметра результатами прямых измерений являются напряжение и сила тока, а результатом косвенных измерений будет сопротивление, найденное по закону Ома).

Совокупные измерения - производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин (например, определение массы отдельных гирь набора по известной массе одной из них).

Совместные измерения - проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними (например, снятие вольт-амперной характеристики диода).

Совокупные измерения основываются на известных уравнениях, отражающих произвольное комбинирование величин, а совместные - на уравнениях, отражающих существование связи между измеряемыми величинами.

Если измеряемая величина остается в процессе измерений постоянной, измерения называются статическими, если изменяется - динамическими. Динамические измерения могут быть непрерывными (если технические средства позволяют непрерывно следить за значениями измеряемой величины) и дискретными (если значения измеряемой величины фиксируются только в отдельные моменты времени).

По способу выражения результатов измерения подразделяются на абсолютные и относительные.

Абсолютное измерение - измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант. Результат измерений выражается непосредственно в единицах физической величины.

Относительное измерение - измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную (например, определение коэффициента усиления как отношения напряжений на входе и выходе устройства). Величина, полученная в результате относительных измерений, может быть или безразмерной, или выраженной в относительных логарифмических единицах (бел, октава, декада) и других относительных единицах.

В зависимости от условий, определяющих точность результата, измерения делятся на три класса:

1). измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники:

· эталонные (достигается максимально возможная точность воспроизведения размера физической величины);

· измерения физических постоянных;

· астрономические;

2). контрольно-поверочные измерения - измерения, погрешность которых не должна превышать некоторого заданного значения. Для таких измерений применяются образцовые средства измерений, а сами измерения осуществляются в специальных лабораториях;

3). технические (рабочие) измерения - измерения, в которых погрешность результата измерения определяется характеристиками средства измерения. Средства измерений, применяемые для этой цели, называются рабочими.

В свою очередь, технические измерения подразделяются на эксплуатационные, применяемые для контроля действующей аппаратуры и выполняемые типовыми измерительными приборами заводского изготовления; производственные, проводимые в цехах и служащие для измерения параметров деталей, из которых собираются узлы и блоки аппаратуры; измерения режимов, устанавливаемых в блоках и узлах; снятия характеристик этих узлов и всего устройства в целом; измерения при монтаже, налаживании и настройке; измерения в приемосдаточных испытаниях готовых изделий, установок и объектов и выполняемые в основном типовыми измерительными приборами; лабораторные, производимые при научных исследованиях и разработках новых систем, устройств и приборов.

3. КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Средство измерений - техническое средство (или их комплекс), предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.

По своему техническому и метрологическому назначению, согласно ГОСТ 16263-70 ГСИ, средства измерений подразделяются следующим образом:

· меры - средства измерений, предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера;

· измерительные приборы- средства измерений, предназначенные для получения измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем;

· измерительные преобразователи - средства измерений, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейших преобразований, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Кроме того, совокупность различных средств измерений может образовывать:

· измерительные установки - совокупность расположенных в одном месте и функционально объединенных друг с другом средств измерений, предназначенных для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем;

· измерительные системы - совокупность средств измерений, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления.

· По метрологическому назначению средства измерений подразделяются следующим образом:

· эталоны - средства измерений (или комплекс средств измерений), обеспечивающие определение, воспроизведение и хранение единицы физической величины с целью передачи размера единицы физической величины образцовым, а от них рабочим средствам измерений и утвержденные в качестве эталона в установленном порядке;

· образцовые средства измерений - меры, измерительные приборы или измерительные преобразователи, имеющие высокую точность и предназначенные для поверки и градуировки по ним других средств измерений, в установленном порядке утвержденные в качестве образцовых;

· рабочие - средства измерений, применяемые для измерений, не связанных с передачей размера единиц.

4. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИ

Измерения базируются на определенных принципах.

Принцип измерения - совокупность физических явлений, на которых основаны измерения.

Метод измерения - совокупность использования принципов и средств измерений.

Различают два основных метода измерений: метод непосредственной оценки и метод сравнения.

Метод непосредственной оценки - метод измерения, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. Иногда этот метод называют методом прямого преобразования.

Метод сравнения - метод измерения, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Метод сравнения может реализовываться в следующих модификациях:

· нулевой метод (компенсационный) - метод, при котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля;

· дифференциальный метод - метод, при котором формируют и измеряют разность измеряемой и известной величины, воспроизводимой мерой;

· метод совпадений- метод, при котором разность измеряемой и известной величины измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов;

· метод противопоставления - метод, при котором измеряемая и известная величины одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами.

В зависимости от метода измерений и свойств применяемых средств измерений все измерения могут выполняться либо с однократными, либо с многократными наблюдениями.

Здесь уместно также дать определение наблюдения и алгоритма измерения.

Наблюдение - это единичная экспериментальная операция, результат которой - результат наблюдения - всегда имеет случайный характер.

Алгоритм измерения - предписание о порядке выполнения операций, обеспечивающих измерение искомого значения физической величины.

5. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ

Любое измерение всегда выполняется с некоторой погрешностью, которая вызывается несовершенством методов и средств измерений, непостоянством условий наблюдения, а также недостаточным опытом экспериментатора или особенностями его органов чувств.

Погрешность измерения - отклонение результата измерения X от истинного значения измеряемой величины Q: ? = X - Q.

Так как истинное значение физической величины Q на практике неизвестно,

при расчетах применяют так называемое действительное значение Хд, найденное экспериментально и настолько приближающееся к истинному, что может быть использовано вместо него.

В зависимости от характера проявления погрешности имеют следующие составляющие:

· случайная погрешность - погрешность, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины (например, погрешность, возникающая в результате округления);

· систематическая погрешность - погрешность, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины (например, погрешность, появляющаяся из-за несоответствия действительного и номинального значения меры);

· грубая погрешность - погрешность, существенно превышающая ожидаемую при данных условиях.

Все эти погрешности проявляются одновременно.

В зависимости от характера влияния на результат измерения различают следующие погрешности:

· аддитивные - погрешности, значения которых не зависят от значения измерительной величины;

· мультипликативные - погрешности, значения которых изменяются с изменением измеряемой величины.

Эти погрешности могут быть и систематическими, и случайными одновременно.

В зависимости от источника возникновения погрешности классифицируются следующим образом:

· методические - погрешности, возникающие из-за несовершенства методов измерений и обработки их результатов. Как правило, это систематические погрешности;

· инструментальные (аппаратурные) - погрешности, которые определяются погрешностями применяемых средств измерений;

· внешние - погрешности, обусловленные отклонением одной или нескольких влияющих величин от нормальных значений (например, температуры, влажности, магнитных и электрических полей и т.д.). Эти погрешности носят систематический характер;

· субъективные (личные) - погрешности, обусловленные индивидуальными особенностями экспериментатора. Могут быть как систематическими, так и случайными.

6. ПОГРЕШНОСТИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Погрешность средств измерений - это отличие показания измерительного прибора от действительного значения измеряемой величины. Она включает в себя в общем случае систематическую и случайную составляющие.

ГОСТ 8.009-84 ГСИ «Нормируемые метрологические характеристики средств измерений» предусматривает следующие показатели точности средств измерений:

· предел, математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение опускаемой систематической составляющей погрешности;

· предел допускаемого среднеквадратического отклонения и автокорреляционная функция или спектральная плотность случайной составляющей погрешности.

Погрешности средств измерений могут быть представлены в следующих формах:

· абсолютная погрешность - разность между измеренным X и истинным Q значением измеряемой величины:

(6.1)

В этом случае в результат измерения вводится поправка - значение величины, одноименной с измеряемой, прибавляемое к полученному при измерении значению величины с целью исключения систематической погрешности:

· относительная погрешность - отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины

(6.2)

Часто в технике измерений пользуются таким понятием, как точность измерений - характеристика качества измерения, отражающая близость их результатов к истинному значению, измеряемой величины. Количественно это величина, обратная модулю относительной погрешности измерения

(6.3)

· приведенная погрешность - отношение абсолютной погрешности к некоторому нормирующему значению ХN

(6.3)

В данном случае XN - условно принятая величина, которая может принимать различные значения в зависимости от типа шкалы. В случае, когда шкала прибора равномерна и «0» находится в начале шкалы (самый распространенный в технике измерений случай), в качестве XN принимают предел измерения.

Если «0» находится в середине равномерной шкалы, то в качестве Xn используют сумму модулей пределов измерения, а если шкала не имеет нуля (например, медицинский термометр), то нормирующее значение принимают равным разности модулей пределов измерения. Сложнее обстоит дело с неравномерными шкалами, т.е. такими шкалами, у которых одному и тому же промежутку соответствуют разные значения измеряемой величины. В этом случае за нормирующее значение принимают либо разность модулей пределов равномерных участков шкалы, либо длину шкалы в миллиметрах. Последний случай вносит определенные трудности, так как в этом случае значение измеренной физической величины необходимо привести к размерности длины.

Значения погрешностей устанавливаются для нормальных условий, т.е. таких условий применения средств измерений, при которых влияющие на процесс измерения величины имеют значения, указанные в соответствующих стандартах на средства измерения данного вида. В качестве нормальных общепринятыми являются следующие условия: температура окружающей среды (20±5) °С, относительная влажность воздуха (65±15) %, атмосферное давление (100000 ± 4000) Па. На значение погрешности оказывают влияние также положение приборов, электромагнитные поля, стабильность внешних условий и т.д.

Погрешность, свойственная средствам измерения, находящимся в нормальных условиях, называется основной погрешностью.

Отклонение внешних условий от нормальных приводит к изменению погрешностей, и тогда возникает погрешность, называемая дополнительной.

Основная погрешность средства измерений нормируется заданием пределов допускаемой основной и дополнительной погрешностей, т.е. той наибольшей погрешностью средства измерений (без учета знака), при которой оно может быть признано годным и допущено к применению. Способы нормирования пределов допускаемых погрешностей измерения регламентируются ГОСТ 8.009-84 ГСИ и ГОСТ 8.401-80 ГСИ.

В зависимости от характера изменения погрешности в пределах диапазона, а также от условий применения средства измерения данного вида погрешности средств измерений нормируются следующим образом: с

а) в виде абсолютной погрешности:

- одним значением

где a=const, для аддитивной погрешности;

- для мультипликативной погрешности;

- таблицей ?п для разных уровней (или диапазонов);

б) в виде относительной погрешности:

- одним значением для аддитивной погрешности;

- значением для мультипликативной погрешности;

где Хк - конечное значение диапазона. Значения q, с, d выбираются из ряда

(1; 1,5;2;2,5;4;5;6)х10n (6.5)

где n=+1,0,-1,-2,...;

- если диапазон измерения включает ноль, то в этом случае относительная погрешность стремится к бесконечности, и основную погрешность средства измерения нормируют приведенной погрешностью

В зависимости от пределов допускаемой погрешности все средства измерения делятся на классы точности (таблица 6.1).

Класс точности средства измерения - это обобщенная характеристика средства измерения, определяемая пределами допускаемых основной и дополнительной погрешностей, а также другими свойствами средства измерения, влияющими на точность, значения которой устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерений.

Значение класса точности также выбирается из ряда (6.5).

Способ обозначения класса точности определяется формой выражения основной погрешности.

Таблица 6.1 - Примеры обозначения класса точности

?		С	Значение указывается в нормативно-технической документации
	Таблицы, графики	IY A2
	д

Размещено на http://www.allbest.ru/

2,0	д=±2,0%
		0,02/0,01	с=0,02% b=0,01%
	Таблицы, графики	D G1 III	Указывается в нормативно-технической документации
г	ХN выражено в единицах измеряемой величины	2,5	г=±2,5%
		ХN выражено в длине рабочей части шкалы

Размещено на http://www.allbest.ru/

г=±0,5%

7 СИСТЕМАТИЧЕСКИЕ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

7.1 Классификация систематических погрешностей

Систематическими называются погрешности, не изменяющиеся с течением времени или являющиеся не изменяющимися во времени функциями определенных параметров. Их отличительный признак состоит в том, что они могут быть предсказаны и, следовательно, почти полностью устранены введением соответствующих поправок.

Систематические аддитивные погрешности, например, могут возникать от постороннего груза на чашке весов, от неточной установки прибора на «0» перед измерением, от термо ЭДС. в цепях постоянного тока. Для их устранения в приборах имеется корректор нуля. Систематические мультипликативные погрешности - это, например, изменение коэффициента усиления усилителя, изменение жесткости мембраны датчика манометра или пружинки прибора, опорного напряжения на цифровом вольтметре.

В зависимости от причин возникновения систематические погрешности подразделяются на инструментальные, внешние, личные, а также погрешности метода.

Инструментальные погрешности вызываются процессами старения тех или иных деталей аппаратуры (разрядка источников питания; старение резисторов, конденсаторов; деформация механических деталей, усадка бумажной ленты в самопишущих приборах и т.д.). Их особенность состоит в том, что они могут быть скорректированы введением соответствующей поправки лишь в заданный момент времени, а далее вновь непредсказуемо возрастают. Вследствие этого требуется непрерывное повторение коррекции, тем более частое, чем меньше должно быть их остаточное значение.

По характеру проявления систематические погрешности делятся на постоянные и переменные.

Постоянные систематические погрешности в процессе измерения не изменяют величину и знак, а поэтому их очень трудно обнаружить в результатах измерений. Внешне они себя никак не проявляют и могут долгое время оставаться незамеченными. Единственный способ их избежать - это поверка прибора путем повторной аттестации по образцовым мерам или сигналам.

Переменные систематические погрешности или монотонно изменяют свою величину (прогрессивные погрешности), или меняются периодически (периодические: погрешности). Все остальные виды систематических погрешностей принято называть погрешностями, изменяющимися по сложному закону.

Наличие систематических погрешностей искажает результаты измерений. Их отсутствие определяет правильность измерений (или правильность средств измерений).

Правильность измерений (средств измерений) - качество измерений (средств измерений), отражающее близость к нулю систематических погрешностей.

Задача обеспечения правильности измерений - это обнаружение систематических погрешностей с последующей их полной или частичной компенсацией.

7.2 Обнаружение систематических погрешностей

Основная трудность - обнаружение систематических погрешностей и определение их величины и знака. Необходимо проводить специальные экспериментальные исследования. Часто пользуются графиком последовательности значений случайных отклонений результатов наблюдений, содержащих систематические погрешности, от средних арифметических. Суть этого эксперимента состоит в следующем. Находят п результатов измерений Х1, Х2, ... Хп, их среднее значение



и отклонения результатов измерений от их среднего значения Vi=Xi-X. На основании этих данных строится график последовательности Vi в зависимости от номера наблюдений. Вид графика зависит от характера систематической погрешности.

Если Vi резко изменяется при изменении условий наблюдений (рисунок 7.1), то данные результаты содержат постоянную систематическую погрешность, зависящую от условий наблюдений. Из анализа графика следует, что первые четыре точки получены в одних условиях (одним прибором), остальные шесть в других. Следовательно, какой-то из приборов вносит постоянную систематическую погрешность.

Если Vi монотонно убывает (рисунок 7.2), то это означает, что в результатах измерения присутствует прогрессивная убывающая систематическая погрешность. Этот способ обнаружения пригоден в случае, когда случайные составляющие погрешности намного меньше систематических. Кроме того, графики позволяют только обнаружить систематическую погрешность, не давая сведений об ее значении. Количественная оценка ее находится по результатам специальных исследований, методика проведения которых зависит от характера эксперимента и источников погрешностей. Например, если поверка прибора проводилась по образцовой мере, то измерение разности между средним значением измеряемой величины и значением меры производится с точностью, определяемой погрешностью аттестации меры и случайными погрешностями измерения.

Это будет постоянная составляющая систематической погрешности измерения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

7.3 Способы уменьшения систематических погрешностей и введение поправок

7.3.1 До начала измерений необходимо

· тщательно устанавливать нули и проводить калибровку (например, калибровку развертки осциллографа с помощью кварцевого калибратора длительности);

· поверять рабочие средства измерений с определением абсолютного значения и знака систематической погрешности (поправок);

· прогревать приборы в течение времени, указанного в инструкции по эксплуатации;

· при сборке схем применять короткие соединительные провода, особенно при измерениях на высоких частотах;

· правильно размещать измерительные приборы. При этом следует обращать внимание на установку приборов в рабочее положение (вертикальное или горизонтальное, в соответствии со знаками, нанесенными на корпусе приборов) и на взаимное положение приборов, исключающее связь между ними через электромагнитное поле; удалить их от нагретых предметов, сильных источников электрических и магнитных полей;

· применять экранировку и термостатирование приборов.

7.3.2 В процессе измерений устранить систематические погрешности или отдельные их составляющие можно следующими способами

· способ замещения. В данном случае измеряемая величина замещается образцовой Мерой, находящейся в тех же условиях, что и измеряемая величина;

· способ компенсации погрешности по знаку. В этом случае измерение или отсчет измеряемой величины производятся дважды, так чтобы не известная по величине, но известная по природе погрешность входила в результат с противоположными знаками. Полусумма отсчетов свободна от систематических погрешностей. В качестве примера можно привести способ устранения погрешности частотомера, возникающей из-за наличия люфта механизма перестройки, когда перестройка осуществляется один раз со стороны меньших делений отсчетной шкалы, а второй - со стороны больших делений;

· способ симметричных наблюдений. Измерения проводят последовательно через одинаковые интервалы изменения аргумента. За окончательный результат принимается среднее значение любой пары симметричных наблюдений относительно середины интервала измерений. Так часто производится измерение температуры, времени, давления и т.п.;

· способ рандомизации, т.е. перевод систематических погрешностей в случайные. Пусть имеется n однотипных приборов с систематическими погрешностями одинакового происхождения. От прибора к прибору погрешность меняется случайным образом. Следовательно, можно произвести измерения разными приборами и усреднить результаты измерений.

7.3.3 После проведения измерений: при обработке результатов могут быть исключены систематические погрешности с известными значениями и знаками

Для этого в неисправленные результаты наблюдений вводятся поправки q или поправочные множители. Результаты измерений после внесения поправок называются исправленными.

Поправка - это значение величины, одноименной с измеряемой, прибавляемое к полученному при измерении значению величины для исключения систематической погрешности:

(7.1)

Поправочный множитель - число, на которое умножается результат измерения с целью исключения систематической погрешности:

(7.2)

При этом необходимо помнить, что поправка исключает аддитивную систематическую погрешность, а поправочный множитель - мультипликативную.. Поправка и поправочный множитель определяются при поверке или специальными исследованиями.

7.4 Суммирование неисключенных систематических погрешностей

Систематические погрешности, которые остаются в результатах измерения после проведения операций обнаружения, оценки и исключения, называются неисключенными систематическими погрешностями.

При определении границы результирующей неисключенной систематической погрешности ее отдельные составляющие рассматриваются как случайные величины. Если известно, что распределение составляющих неисключенной систематической погрешности нормальное, то

(7.3)

где - значение неисключенной составляющей систематической погрешности;

m - количество неисключенных систематических погрешностей.

Если данных о виде распределения нет, то

(7.4)

Размещено на http://www.allbest.ru/

При Рд=0,95 коэффициент k=1,l. При Рд=0,99 k зависит от числа неисключеных систематических погрешностей m. Если m>4, то k=1,4.

При m?4 поступают следующим образом. Находят отношение

где ?'ci - составляющая систематической погрешности, наиболее отличающаяся по своему значению от остальных;

?”сi- составляющая систематической погрешности, по своему значению наиболее приближающаяся к ?'сi . Затем по графику зависимости k от 1, приведенному на рисунке 7.3, находят значение k. При косвенных измерениях неисключенные систематические погрешности суть частные неисключенные систематические погрешности косвенного измерения:

(7.5.)

8. РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СЛУЧАЙНЫХ ВЕЛИЧИН И ИХ ЧИСЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Вследствие того, что результат измерения X содержит случайную погрешность , он сам является случайной величиной, так как X=Q+?.

Основной характеристикой любой случайной величины является функция распределения вероятностей, которая устанавливает связь между возможными значениями случайной величины и вероятностями их появления при многократных измерениях.

Существуют две формы представления случайной величины: интегральная и дифференциальная.

Интегральной функцией распределения результатов наблюдения является функция. F(X) - вероятность того, что результат наблюдения окажется меньше некоторого текущего значения х: F(X)=P{X<x}. Это положительная неубывающая функция. Она имеет вид, представленный на рисунке 8,1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основным свойством этой функции является следующее: вероятность того, что случайная величина принимает значения в интервале {х1 х2}, равна разности значений функции на концах интервала: P{xi<X<x2} -- F(x2) - F(x1).

Если x2-x1= ?x то одинаковым приращениям ?х соответствуют различные значения приращения вероятности ?F(x). Тогда плотность распределения вероятностей случайной величины, или плотность вероятностей, будет иметь следующий вид:

(8.1)

Это дифференциальная форма представления F(x). В интегральной форме

(8.2)

Вероятность попадания случайной величины в интервал (х1 х2) будет равна интегралу от плотности распределения вероятности:

(8.3)

Так как ?=X-Q, то переход от законов распределения вероятностей результатов наблюдений к законам распределения вероятностей погрешностей сводится к замене х на ? в вышеприведенных формулах.

погрешность измерение установка

9. СЛУЧАЙНЫЕ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

9.1 Источники возникновения случайных погрешностей

Случайными называются не определенные по своей величине и природе погрешности, в появлении которых не наблюдается какой-либо закономерности.

Случайные погрешности обнаруживаются при многократных измерениях искомой величины, так как результаты отдельных измерений отличаются друг от друга даже в тех случаях, когда повторные измерения проводятся одинаково тщательно и, казалось бы, при одних и тех же условиях. Другими словами, случайные погрешности неизбежны, и поэтому действительное значение Хд находится с некоторым приближением. К случайным погрешностям можно отнести, например, погрешности отсчета за счет параллакса (в приборах, не снабженных зеркальной шкалой). В зависимости от расположения глаза наблюдателя конец стрелки кажется расположенным над той или иной точкой шкалы, т.е. фактически полученный отсчет зависит от расположения глаза (рисунок 9.1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Правильным отсчетом надо считать точку шкалы, на которую проецируется стрелка при условии, что луч зрения (от зрачка к стрелке) перпендикулярен плоскости шкалы. Следовательно, отсчет производится в точке а', смещенной на некоторую величину по отношению к истинной точке а. В какую сторону и какой величины будет параллакс - зависит от случая. Но насколько в среднем велика погрешность - это зависит от конструкции прибора: чем меньше отношение расстояния h между стрелкой и шкалой к общей ширине шкалы, тем меньше будет в среднем погрешность. Следовательно, проектировщик обязан заранее учитывать ее и принимать конструктивные меры для уменьшения до допустимой величины.

К случайной относится также глазомерная погрешность, возникающая при определении на глаз доли деления. При конструировании обычно считают, что человек, имеющий необходимый навык, ошибается в отсчете на глаз не более чем на 1/10 деления. Это при условии, что шкала удовлетворяет определенным требованиям:

1). деления не слишком мелки - не менее 1,5 мм;

2). штрихи четкие, не размытые;

3). толщина штрихов и визирной черты или нити, толщина конца стрелки удобная; обычно рекомендуют толщину штриха около 0,15 мм;

4). цвет шкалы такой, чтобы штрихи четко выделялись;

5). в ночных условиях должно быть обеспечено достаточное освещение шкалы.

Погрешность (глазомерная или от параллакса), выраженная в процентах, будет тем меньше, чем крупнее шкала (т.е. чем меньше цена мелкого деления).

В качестве примера случайной погрешности можно также привести температурную погрешность, т.е. изменение показаний прибора в связи с тем, что окружающая температура отличается от нормальной, при которой была произведена градуировка шкалы. Для данного прибора можно заранее определить, на сколько изменяется показание при определенном повышении температуры. Следовательно, ее можно исключить путем учета поправки.

В большинстве случаев случайные погрешности нельзя исключить опытным путем, но их влияние на результат измерения может быть теоретически учтено применением при обработке результатов измерений теории вероятностей и математической статистики.

Нормальное распределение случайной погрешности (распределение Гаусса) подчиняется уравнению

(9.1)

где - вероятность получения погрешностей (частота появления случайной погрешности ).

Функции распределения достаточно полно могут быть определены своими числовыми характеристиками, к которым относятся начальные и центральные моменты.

Начальным моментом к-порядка является математическое ожидание случайной величины степени к:

(9.2)

В большинстве случаев начальный момент 1-порядка совпадает с истинным значением измеряемой величины.

Центральный момент к-порядка - математическое ожидание к-й степени центрированной случайной величины (т.е. разности между значением случайной величины и ее математическим ожиданием). Применительно к измерениям центрированная случайная величина будет случайной погрешностью:

=X-M[X]=X-Q (9.3)

Центральным моментом 2-порядка будет дисперсия результатов наблюдений:

(9.4)

Это рассеяние результатов наблюдений относительно математического ожидания. Недостаток такого представления погрешности измерения заключается в том, что она имеет размерность квадрата измеряемой величины. Поэтому на практике используют значение среднеквадратичного отклонения результата измерения

(9.5)

В отличие от результатов измерения, числовые характеристики функции распределения являются детерминированными, а не случайными. Следовательно, чтобы найти точные значения, необходимо произвести бесконечно большое число наблюдений. Отсюда возникает задача определения приближенных значений, полученных в некотором количестве независимых наблюдений. В математической статистике такие приближенные значения, выраженные одним числом, называются точечными оценками. Любая точечная оценка, вычисленная на основе опытных данных, представляет собой случайную величину, зависящую от самого оцениваемого параметра и от числа опытов. Распределение оценки зависит от распределения исходной случайной величины. Оценки классифицируются следующим образом:

· состоятельные, когда при увеличении числа наблюдений они приближаются к значению оцениваемого параметра;

· несмещенные, если математическое ожидание равно оцениваемому параметру;

· эффективные, если ее дисперсия меньше дисперсии любой другой оценки этого параметра.

9.2 Точечные оценки числовых характеристик измеряемой величины

Пусть имеется выборка из n измеряемых величин Х1 Х2, ... Хп. Результаты измерений содержат только случайные погрешности. Требуется найти оценку истинного значения измеряемой величины и параметр, характеризующий степень рассеяния наблюдений в данной выборке.

9.2.1 Оценка истинного значения измеряемой величины

При симметричных законах распределения вероятностей истинное значение измеряемой величины совпадает с ее математическим ожиданием, а оценкой математического ожидания является среднее арифметическое результатов отдельных наблюдений:

(9.6)

9.2.2 Оценка среднеквадратического отклонения (с.к.о.) результата наблюдений

Если известно математическое ожидание случайной величины, то с.к.о. равно

(9.7)

Если математическое ожидание неизвестно, то по результатам выборочных наблюдений можно найти лишь оценку математического ожидания X. Это будет оценка состоятельная, но смещенная.

Несмещенная оценка будет иметь вид

(9.8)

9.2.3 Оценка с.к.о. результата измерения

Полученная выше оценка истинного значения измеряемой величины X является случайной величиной, рассеянной относительно Q. С.к.о. будет иметь следующий вид

(9.9)

Эта величина характеризует рассеяние среднего арифметического значения X результатов п наблюдений измеряемой величины относительно ее истинного значения.

9.3 Оценка с.к.о. результата косвенного измерения

Все сказанное выше относится к оценке с.к.о. результата прямого измерения. Для оценки с.к.о. результата косвенного измерения поступают следующим образом. Пусть результат измерений представляет собой функцию от m переменных Q = F(X1,X2,..,Xm). Находят частные погрешности результата измерения

(9.10)

где оценки с.к.о. результата прямого измерения i-и величины.

С.к.о. результата косвенного измерения находится по формуле

(9.11)

где Rij - коэффициент корреляции, показывающий степень статистической связи между частными погрешностями измерения.

10. КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Изо всего многообразия методов и средств измерений рассмотрим только те, которые широко используются для измерения характеристик электрических сигналов и параметров радиотехнических цепей при контроле технического состояния различных радиоэлектронных устройств. Применяемые для этой цели средства измерений можно условно разделить на две группы: электромеханические и электронные измерительные приборы.