birmaga.ru
добавить свой файл

1
Министерство образования и науки РФ


Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Ижевский государственный технический университет»


Реферативно-курсовая работа.

Тема: «Принципы построения средств измерения и контроля»

Выполнил:

студент группы 4-05-1

Сибгатова Н. А.
Проверил:

преподаватель

Иванников В. П.

Ижевск 2012

Содержание

Введение………………………………………………………………….……….3


  1. Классификация методов измерений ……………………………...….….. 4

  2. Средства измерений.………………………………………...…..…….….. 7

  3. Принципы построения.…………..…………………. …………………….9

  4. Качество измерений………………………………………………………12

Заключение…………………………………………………………………….. 13

Список литературы ……………………………….……………………………. 14

Введение.
Измерение — сложный процесс, включающий в себя взаимодействие целого ряда его структурных элементов. К ним относятся: измерительная задача, объект измерения, принцип, метод и средство измерения и его модель, условия измерения, субъект измерения, результат и погрешность измерения.
Первым начальным элементом каждого измерения является его задача. Задача любого измерения заключается в определении значения выбранной) ФВ – физической величины, с требуемой точностью в заданных условиях. Постановку задачи измерения осуществляет субъект измерения — человек. При постановке задачи конкретизируется объект измерения, в нем выделяется измеряемая ФВ и определяется требуемая погрешность измерения.

Объект измерения — это реальный физический объект, свойства которого характеризуются одной или несколькими измеряемыми ФВ. Он обладает многими свойствами и находится в многосторонних и сложных связях с другими объектами. Субъ ект измерения — человек принципиально не в состоянии представить себе объект целиком, во всем многообразии его свойств и связей. Вследствие этого взаимодействие субъекта с объектом возможно только на основе математической модели объекта.

Измерительная информация, т.е. информация о значениях измеряемой ФВ, содержится в измерительном сигнале. Измерительный сигнал — это сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой ФВ. Он поступает на вход СИ, при помощи которого преобразуется в выходной сигнал, имеющий форму, удобную либо для непосредственного восприятия человеком (субъектом измерения), либо для последующей обработки и передачи. Субъект измерения осуществляет выбор принципа, метода и средства измерений.
Принцип измерений — совокупность физических принципов, на которых основаны измерения, например применение эффекта Джозефсона для измерения электрического напряжения или эффекта Доплера для измерения скорости.
Метод измерения — это прием или совокупность приемов сравнения измеряемой ФВ с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерения. Метод измерения должен по возможности иметь минимальную погрешность и способствовать исключению систематических погрешностей или переводу их в разряд случайных.
Классификация методов измерений.
Методы измерения можно классифицировать по различным признакам. Известна классификация по основным измерительным операциям. Она тесно связана с элементарными СИ, реализующими эти операции. Данная классификация ориентирована на структурное описание средств измерений и поэтому важна для измерительной техники, а также метрологии информационно-измерительных систем.
Для метрологического анализа более важными являются традиционные классификации, основанные на следующих признаках:


  1. физический принцип, положенный в основу измерения. По нему все методы измерений делятся на электрические, магнитные, акустические, оптические, механические и т.д.

  2. режим взаимодействия средства и объекта измерений. В этом случае все методы измерений подразделяются на статические и динамические.

  3. применяемый в СИ вид измерительных сигналов. В соответствии с ним методы делятся на: аналоговые и цифровые.


Наиболее разработанной является классификация по совокупности приемов использования принципов и средств измерений. По этой классификации различают метод непосредственной оценки и методы, сравнения. Эти устоявшиеся в литературе названия не совсем удачны, поскольку наводят на мысль о возможности измерения без сравнения. Представляется более правильным говорить об опосредованном и непосредственном сравнении с мерой. При этом непосредственным и опосредованным сравнение может быть как во времени, так и в отношении физической природы измеряемых величин.

Сущность метода непосредственной оценки состоит в том, что о значении измеряемой величины судят по показанию одного (прямые измерения) или нескольких (косвенные измерения) средств измерений, которые заранее проградуированы в единицах измеряемой величины или единицах других величин, от которых она зависит. Это наиболее распространенный метод измерения. Его реализуют большинство средств измерений.

Простейшими примерами метода непосредственной оценки могут служить измерения напряжения электромеханическим вольтметром магнитоэлектрической системы или частоты импульсной последовательности методом дискретного счета, реализованным в электронно-счетном частотомере.

Другую группу образуют методы сравнения: дифференциальный, нулевой, совпадений, замещения. К ним относятся все те методы, при которых измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Следовательно, отличительной особенностью этих методов сравнения является непосредственное участие мер в процессе измерения.

При дифференциальном методе измеряемая величина X сравнивается непосредственно или косвенно с величиной Xм, воспроизводимой мерой. О значении величины X судят по измеряемой прибором разности DХ = X – Xм и по известной величине Хм, воспроизводимой мерой. Следовательно, Х = Хм+ DХ. При дифференциальном методе производится неполное уравновешивание измеряемой величины. Он сочетает в себе часть признаков метода непосредственной оценки и может дать весьма точный результат измерения, если только измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, мало отличаются друг от друга. Например, если разность этих двух величин составляет 1\% и измеряется с погрешностью до 1\%, то тем самым погрешность измерения искомой величины уменьшается до 0,01\% (если не учитывать погрешность меры).


Примером дифференциального метода может служить измерение вольтметром разности двух напряжений, из которых одно известно с большой точностью, а другое представляет собой искомую величину.

Нулевой метод является разновидностью дифференциального метода. Его отличие состоит в том, что результирующий эффект сравнения двух величин 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-индикаторов, 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. Другой пример — измерение сопротивления с помощью уравновешенного моста.

Метод замещения заключается в поочередном измерении прибором искомой величины и выходного сигнала меры, однородного с измеряемой величиной. По результатам этих измерений вычисляется искомая величина. Поскольку оба измерения производятся одним и тем же прибором в одинаковых внешних условиях, а искомая величина определяется по отношению показаний прибора, погрешность результата измерения уменьшается в значительной мере. Так как погрешность прибора неодинакова в различных точках шкалы, наибольшая точность измерения получается при одинаковых показаниях прибора.

Пример метода замещения — измерение большого электрического активного сопротивления путем поочередного измерения силы тока, протекающего через контролируемый и образцовый резисторы. Питание цепи при измерениях должно осуществляться от одного и того же источника постоянного тока. Выходное сопротивление источника тока и измерительного прибора — амперметра должно быть очень мало по сравнению с измеряемыми сопротивлениями.

При методе совпадений разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, определяют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Этот метод широко используется в практике неэлектрических измерений. Примером может служить измерение длины при помощи штангенциркуля с нониусом. Примером использования данного метода в электрических измерениях является измерение частоты вращения тела посредством стробоскопа.


Метод измерений реализуется в средстве измерений — техническом средстве, используемом при измерениях и имеющем нормированные метрологические свойства (ГОСТ 16263-70). Такое определение представляется не совсем удачным. По сути дела, под СИ следует понимать техническое средство, предназначенное для измерений и позволяющее решать измерительную задачу путем сравнения измеряемой величины с единицей или шкалой ФВ.

Средства измерений.
Средство измерений является обобщенным понятием, объединяющим самые разнообразные конструктивно законченные устройства, которые обладают одним из двух признаков:

• вырабатывают сигнал, несущий информацию о размере измеряемой величины;

• воспроизводят величину заданного (известного) размера.
Объединение технических средств по этим двум признакам сделано только из соображений целесообразности общего метрологического анализа, удобства изложения и регламентации метрологических требований и правил, единых для всех видов СИ.

При использовании СИ весьма важно знать степень соответствия выходной измерительной информации истинному значению определяемой величины. Для ее установления введено правило, по которому требуется нормировать метрологические характеристики всех средств измерений. Метрологические характеристики — это характеристики свойств СИ, которые оказывают влияние на результат измерений и его погрешности и предназначены для оценки технического уровня и качества СИ, а также определения результатов измерений и расчетной оценки характеристик инструментальной составляющей погрешности измерений.

Средства измерений могут быть элементарными (меры, устройства сравнения и измерительные преобразователи) и комплексными (регистрирующие и показывающие измерительные приборы, системы, измерительно-вычислительные комплексы).

В процессе измерения важную роль играют условия измерения — совокупность влияющих величин, описывающих состояние окружающей среды и средства измерений. Влияющая величина — это физическая величина, не измеряемая данным СИ, но оказывающая влияние на его результаты.


Изменение условий измерения приводит к изменению состояния объекта измерения. Это в свою очередь определяет влияние условий измерения на выделенную ФВ и через нее — на измеряемую величину и отклонение значения действительной величины от той, что была определена при формировании измерительной задачи. Влияние условий измерения на СИ проявляется в изменении его метрологических характеристик. При этом та часть погрешности измерения, которая возникает из-за изменения условий, называется дополнительной погрешностью.

В соответствии с установленными для конкретных ситуаций диапазонами значений влияющих величин различают нормальные, рабочие и предельные условия измерений. Нормальные условия измерений, — это условия, при которых влияющие величины имеют нормальные или находящиеся в пределах нормальной области значения. Нормальная область значений влияющей величины — это область значений, в пределах которой изменением результата измерений под воздействием влияющей величины можно пренебречь в соответствии с установленными нормами точности. Нормальные условия измерений задаются в нормативно-технической документации на СИ. При нормальных условиях определяется основная погрешность данного СИ.

Рабочими называются условия измерений, при которых влияющие величины находятся в пределах своих рабочих областей. Рабочая область значений влияющей величины — это область, в пределах которой нормируется дополнительная погрешность или изменение показаний СИ. Предельные условия измерений — это условия, характеризуемые экстремальными значениями измеряемой и влияющих величин, которые СИ может выдержать без разрушений и ухудшения его метрологических характеристик.

Принципы построения.

1.Принцип инверсии основан на том, что любая деталь от момента ее изготовления до момента эксплуатации проходит несколько состояний или обращений (инверсий). Вначале деталь представляет собой объект обработки, затем объект контроля или измерения и, наконец, становится частью изделия, в частности механизма. Тем самым принцип инверсии устанавливает связь между технологическим процессом, процессом измерения и выполнением функций при эксплуатации. На первом этапе деталь является частью замкнутой цепи технологической системы — источника инструментальной погрешности. На втором этапе деталь входит в замкнутую систему вместе со средством измерения — источником погрешности измерения. На третьем этапе готовая деталь с параметрами, соответствующими установленным значениям, является частью кинематической системы механизма изделия. Параметры детали при эксплуатации соответствуют установленным значениям, лишь, когда все три фазы ее прохождения изучаются и учитываются совместно.

Из принципа инверсии следует, что точность необходимо ограничивать исходя из функционального назначения детали, схема технологического формообразования должна соответствовать схеме ее функционирования, а схема измерения должна учитывать обе последние схемы. Следовательно, положения принципа инверсии конструктор должен учитывать на стадии проектирования изделия, технолог — на стадии его изготовления, а метролог при его контроле и измерении. Выбранный метод и схему измерения считают правильно обоснованными, если условия контроля соответствуют условиям эксплуатации и формообразованиям детали, а именно: траектория движения при измерении соответствует траектории движения при эксплуатации и формообразовании; линия измерения совпадает с направлением рабочего усилия при эксплуатации; метрологические, конструкторские и технологические базы совпадают с рабочими; форма измерительного наконечника, силовая нагрузка на деталь и другие параметры соответствуют параметрам сопрягаемой с ней контрдетали; физические (в частности, геометрические) свойства образцовой детали, используемой при настройке средства измерения, подобны свойствам контролируемой детали.
Если выбранный метод формообразования детали вследствие конкретных технологических возможностей не полностью соответствует оптимальной схеме, вопрос о соответствии схемы измерения схеме механизма или формообразования следует решать, исходя из функционального назначения детали в зависимости, от решения частной метрологической задачи. Однако и в этом случае должны быть выделены главные метрологические показатели.
Таким образом, наибольшее соответствие процесса измерения принципу инверсии позволяет обеспечить минимальные погрешности при эксплуатации изделий.

2. Принцип Тейлора. При наличии погрешностей формы и взаимного расположения геометрических элементов сложных деталей в соответствии с принципом Тейлора надежное определение соответствия размеров всего профиля предписанным предельным значениям возможно лишь в том случае, если определяются значения проходного и непроходного пределов [ ГОСТ 25346 - 82 ( СТ СЭВ 145 - 75) ], например действительные значения наибольшего и наименьшего размеров. Следовательно, любое изделие должно быть проконтролировано по крайней мере дважды, точнее по двум схемам контроля: с помощью проходного и непроходного калибров.


Указывающие измерительные приборы только тогда пригодны для контроля посадок, когда их измерительные поверхности соответствуют принципу Тейлора. В противном случае ошибки формы контролируемых деталей должны предварительно контролироваться или устраняться. Таким образом, необходимы два прибора: один - для проходной, другой - для непроходной стороны, которые устанавливаются по соответствующим мерам. При пренебрегаемо малых ошибках формы контроль может осуществляться одним прибором. Допустимые предельные размеры целесообразно устанавливать на шкале при помощи указателей допусков. Если ошибками формы нельзя пренебречь, то установка производится по двум мерам.

Контроль должен отвечать принципу Тейлора, а именно: проходная сторона калибра должна давать возможность контролировать одновременно сопрягаемость и длину конуса. При этом на калибр наносятся три штриха или делается выточка.

В соответствии с принципом Тейлора проходные пробки и кольца имеют полные формы и длины, равные длинам сопряжении, а непроходные калибры часто имеют неполную форму: например, применяют скобы вместо колец, а также пробки, неполные по форме поперечного сечения и укороченные в осевом направлении. Строгое соблюдение принципа Тейлора сопряжено с определенными практическими неудобствами.

На практике приходится отступать от принципа Тейлора вследствие неудобств контроля, например, проходным кольцом, так каи это требует многократного снятия детали, закрепленной в центрах станка. Вместо контроля проходными кольцами применяют многократный контроль проходными скобами с широкими измерительными поверхностями, а вместо штихмасов - непроходные калибры-пробки с малой (значительно меньше, чем у проходной пробки) шириной измерительных поверхностей.

3. Принцип Аббе. Минимальные ошибки измерения возникают, если контролируемый геометрический элемент и элемент сравнения находятся на одной линии – линии измерения. Этот принцип справедлив для поступательно перемещающихся звеньев. Последовательное расположение контролируемого и образцового элемента по одной линии приводит к увеличению габаритных размеров СИ, поэтому в ряде случаев применяют параллельное расположение сравнительных элементов, но и тогда нужно соблюдать условия, при которых ошибки измерения минимальны.


Качество измерений.
Качество измерений характеризуется точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью, а также размером допускаемых погрешностей. Точность измерения — характеристика качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности его результата. Точность измерения является величиной качественной. Высокая точность измерения соответствует малым погрешностям и наоборот. Иногда точность количественно оценивают обратной величиной модуля относительной погрешности. Например, если погрешность составляет 0,001, то точность равна 1000. Однако количественная оценка точности широкого распространения не получила.

Достоверность измерений определяется степенью доверия к результату измерения и характеризуется вероятностью того, что истинное значение измеряемой величины находится в указанных пределах. Данная вероятность называется доверительной.

Правильность измерений — это характеристика измерений, отражающая близость к нулю систематических погрешностей результатов измерений.

Сходимость результата измерений — характеристика качества измерений, отражающая близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполняемых повторно одними и теми же методами и средствами измерений и в одних и тех же условиях. Сходимость измерений отражает влияние случайных погрешностей на результат измерения.

Воспроизводимость результатов измерений — характеристика качества измерений, отражающая близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах, разными методами и средствами измерений, разными операторами, но приведенных к одним и тем же условиям.

Количественная близость измеренного и истинного значений измеряемой величины описывается погрешностью результата измерений.

Истинное значение и результат измерения принадлежат и к ветви реальностей, и к ветви отражений. Вследствие принципиальной неадекватности любой модели отражаемой реальности невозможно, оперируя с реальными объектами и СИ в реальных условиях, обеспечить тождественность полученного результата и истинного значения измеряемой величины. Следовательно, принципиально нельзя точно определить погрешность измерения, поскольку в противном случае введением в результат поправки можно найти истинное значение.


Учение о погрешностях измерений и средств измерений является одной из центральных тем в теоретической метрологии.


Заключение.

Результат измерения и оценка его погрешности находятся субъектом измерения с помощью вычислительных средств, работающих по определенному алгоритму обработки измерительной информации.

Конечной целью любого измерения является его результат — значение ФВ, полученное путем ее измерения. Результат измерения представляется именованным или неименованным числом. Совместно с результатом измерений при необходимости приводят данные об условиях измерений.

При использовании термина "результат измерения" следует четко указать, к чему он относится: показанию СИ, исправленному или не исправленному результату, и проводилось ли усреднение результатов нескольких измерений. Следует отметить, что исправленным результатом измерений называется полученное с помощью СИ значение величины и уточненное путем введения в него необходимых поправок на действие предполагаемых систематических погрешностей.

Список литературы


  1. Метрология. – Сергеев А. Г., М: «Логос», 2001. – 95с.

  2. Метрология и стандартизация. – Козлов М. Г., М: «МГУ», 2001. – 123с.