МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ Российской Федерации
федеральное Государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ТЮМЕНСКИЙ государственный НЕФТЕГАЗОВЫЙ университет»
Кафедра «Автоматизации и управления»
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к контрольной работе
по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация»
для студентов специальностей:
«Автоматизация технологических процессов», «Автоматизированные системы обработки информации и управления», «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов», «Электроэнергетика»
заочной и заочной сокращенной форм обучения
Тюмень 2012
Утверждено редакционно-издательским советомТюменского государственного нефтегазового университета
Составители:ассистент Лапик Н.В.
© Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Тюменский государственный нефтегазовый университет», Тюмень 2012г
Введение
С различными измерениями человек сталкивается с момента своего рождения всю жизнь, осуществляя их самостоятельно или наблюдая за проведением измерений. Измерения являются одним из важнейших путей познания природы. Они дают количественную характеристику окружающего мира, раскрывая человеку действующие в природе закономерности.Измерения осуществляются с помощью специальных технических средств, различных по сложности и принципам действия.
При оценке точности измерения технологических параметров в различных отраслях промышленности должен осуществляться комплексный анализ условий измерения и особенностей работы средств измерения.
Сочетание такого комплексного анализа и вероятностно-статистического метода нормирования метрологических характеристик средств измерения позволяет получать более достоверные данные о значениях технологических параметров.
Данные методические указания позволят студентам электрических специальностей усвоить основные положения современной метрологии, а также приобрести навыки правильного выбора средств измерения и оценки точности результатов измерения.
1. основные понятия метрологии
Метрология (от греч. metron – мера и logos- учение, понятие, слово) – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Под единством измерений понимают такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью.
В настоящее время в метрологии и измерительной технике используется ряд основных понятий, относящихся к измерениям, таких как: измерение;точность измерений;физическая величина; единица физической величины средство измерения; метод измерения; принцип; истинное значение физической величины; погрешность (или ошибка) измерения[3,4,6].
2. измерения, методы и погрешности измерений
2.1 Классификация измерений
В метрологии измерения принято классифицировать по нескольким признакам [3,4,8].
По зависимости измеряемой величины от времени измерения подразделяются на статические и динамические. По условиям, определяющим точность результата, измерения подразделяются на три класса: измерения максимально возможной точности; контрольно-поверочные измерения; технические измерения.По числу измерений, выполняемых для получения результата - с однократным и многократным наблюдением.По способу получения результата измерения подразделяются на прямые, косвенные, совокупные и совместные [3,5].
2.2. Классификация средств измерений
Успех измерений зависит от грамотного использования средств измерений, от знаний их свойств.В первую очередь необходимо знать классификацию средств измерений, их метрологические характеристики, погрешности средств измерений и причины их порождающие. Уже по обозначениям на шкале прибора можно определить, с какой погрешностью может получиться результат, но для этого надо знать формы представления метрологических характеристик[3,4].
Средство измерений является обобщенным понятием, объединяющим самые разнообразные конструктивно законченные устройства, которые реализуют одну из функций:
- воспроизводят величину заданного (известного) размера;
- вырабатывают сигнал (показание), несущий информацию о значении измеряемой величины.
2.3. Классификация методов измерений
Прямые измерения являются основой более сложных (косвенных, совокупных, совместных) измерений и поэтому целесообразно рассматривать методы прямых измерений:метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой.
Классификационным признаком в таком разделении является наличие или отсутствие при измерениях меры [1,3,4].
2.4. Погрешности средств измерений
Инструментальная погрешность (погрешность измерительных устройств) имеет определяющее значение для наиболее распространенных технических измерений. На рисунке 2.3. приведена классификация погрешностей средств измерений.
Абсолютной погрешностью СИ ΔХ называют разность показаний прибора Хп и истинного (действительного) Хд значения измеряемой величины:
ΔХ=Хп - Хд. (2.1)
Относительной погрешностью называют отношение абсолютной погрешности СИ к действительному значению измеряемой величины. Относительную погрешность обычно выражают в процентах:
δХ=ΔХ 100/Хд. (2.2)
Приведенной погрешностью называют отношение абсолютной погрешности СИ к нормирующему значению ХN. Приведенную погрешность также выражают в процентах:
γ= ΔХ 100/ ХN. (2.3)
где в качестве нормирующего значения ХN используется верхний предел измерений, разность диапазонов измерений и др.
Для рассмотрения зависимости погрешности СИ от значения измеряемой величины удобно использовать понятие номинальной и реальной функции преобразования измерительного устройства.
Из-за несовершенства конструкции и технологии изготовления реальная функция преобразования отличается от номинальной.
 |
В зависимости от изменения значения измеряемой величины различают погрешности аддитивную, мультипликативную, линейности и гистерезиса (рисунок 2.4.).
2.5. Погрешности измерений
Знание классификации методов позволяет выбрать тот или иной метод для оптимального решения измерительной задачи. Но даже если правильно выбран метод измерений и эксперимент проведен с помощью точного средства измерения, истинное значение измеряемой величины получено не будет, так как каждый результат содержит какие-нибудь погрешности измерения. Для того чтобы определить их вид и использовать выработанные метрологией приемы их использования, необходимо знать классификацию погрешностей измерений [1-4].
Погрешности измерений по степени изученности принято делить на две группы: систематические и случайные.
Систематические погрешности принято классифицировать по двум признакам: по причине возникновения и по характеру проявления.
Методические, личные, инструментальные систематические погрешности легче определить, чем случайные. Но в большинстве случаев в результат измерения все-таки входят неисключенные остатки систематических погрешностей, которыми нельзя пренебречь. Систематическая погрешность представляет собой определенную функцию влияющих величин, состав которых зависит от физических, конструктивных и технологических особенностей средств измерений, условий их применения, а также индивидуальных качеств наблюдателя.
Случайные погрешности подразделяются на ожидаемые, грубые и промахи.
В большинстве случаев истинное значение измеряемой величины оценивают в результате многократных измерений и последующей обработки этих результатов. Рассеивание результатов измерений должно отвечать определенной закономерности.
Случайные погрешности нельзя исключить полностью, но их влияние можно быть уменьшено путем обработки результатов измерений. Для этого должны быть известны вероятностные и статистические характеристики (закон распределения, математическое ожидание, среднеквадратическое отклонение, доверительная вероятность и доверительный интервал).
При обработке результатов со случайной погрешностью сама случайная погрешность рассматривается как случайная величина. Наиболее часто она описывается нормальным законом распределения:
,
где величина х - М(х) = ψ - случайная погрешность;
М(х) и σ - важные числовые характеристики случайной величины.
2.6. Методика обработки результатов измерений
2.6.1. Обработка прямых измерений имеет целью дать оценку истинного значения физической величины и определить степень достоверности этой оценки.
Если выполнено одно измерение, то за истинное принимают показание прибора, но дать оценку достоверности результата невозможно, так как закон распределения случайной величины неизвестен.Если выполнено N измерений, то в качестве оценки истинного значения следует брать среднее арифметическое результатов наблюдений.
Для обработки результатов прямых измерений необходимо определить: истинное значение измеряемой величины, ошибку измерения (среднеквадратическое отклонение), наличие грубых ошибок в результатах наблюдения и т.д.[1,2].
Для оценки точности косвенных измерений пользуются следующими формулами:
- истинное значение косвенного измерения:
,
- абсолютная погрешность косвенного измерения:
,
где Δ - абсолютные погрешности результатов прямых измерений (σа,σb,),
- относительная погрешность косвенного результата:
.
3. способы нормирования погрешностей средств измерений
3.1. Нормирование основных погрешностей средств измерений
Все рассмотренные выше характеристики измерительных устройств, принято называть метрологическими, так как они влияют на точность осуществляемых с помощью этих устройств измерений.Определенную специфику имеет нормирование характеристик, определяющих точность измерений (основная и дополнительная погрешности, размах, вариация).
Основная погрешность устройства нормируется путем установления предела абсолютной, относительной и приведенной погрешностей. Способ задания пределов допускаемой основной погрешности СИ определяется зависимостью их погрешности от значения измеряемой величины и требованиями простоты[1-5].
3.2. Нормирование дополнительных погрешностей средств измерений
Дополнительные погрешности также нормируют их допускаемыми пределами – оценками погрешностей сверху. Для выпускаемых промышленностью измерительных устройств задают дополнительные погрешности: температурную, погрешность из-за изменений питающего напряжения, погрешности из-за изменений влажности, атмосферного давления, вибраций.
Если в технической документации на средство измерения не указано нормированное значение дополнительной погрешностиΔДПТ, то ее выражают в долях основной погрешности при изменении температуры (напряжения) относительно ее номинального значения.
Эксплуатационная погрешность в рабочих условиях складывается из основной и суммы дополнительных погрешностей.