Понятия об измерении, средства измерения

 

Современные единицы измерения построены, за некоторым исключением, на базе Международной системы единиц СИ (ГОСТ 9867–61).

Измерение – это процесс получения опытным путем числового соотношения между измеряемой величиной и некоторым её значением, принятым за единицу сравнения.

Число, выражающее отношение измеряемой величины к единице измерения называется числовым значением измеряемой величины.

Значение величины, принятое за единицу измерения, называ­ется размером этой единицы.

Если х – это измеряемая величина, и – единица измерения, А – числовое значение измеряемой величины в принятой единице, то результат измерения величины х может быть представлен следую­щим равенством:

х = А× и.

Если единица измерения представлена в виде конкретного об­разца, называемого мерой, то процесс измерения сводится к непо­средственному сравнению измеряемой величины с мерой, как мате­риальным выражением единицы измерения.

Для реализации принципов измерения используют технические средства. Технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства – называются средствами измерения.

Основными видами средств измерений являются меры, измери­тельные приборы, измерительные преобразователи и измерительные устройства.

Измерительным преобразователем называют средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обра­ботки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Измерительные преобразователи в за­висимости от их назначения и функций могут быть подразде­лены на первичные (на вход воздействуе измеряемая величина), промежуточные, передающие, масштабные и другие.

Чувствительный элемент – это часть первичного измерительного преобразователя, находящаяся под действием измеряемой величины.

Измерительное устройство – это прибор + преобразователь. Метрологические показатели средств измерений

При выборе средства измерения в зависимости от заданной точности изготовления деталей необходимо учитывать их метрологические показатели. К ним относятся:

1. Длина деления шкалы — это расстояние между серединами двух соседних отметок (штрихов, точек и т. п.) шкалы.
2. Цена деления шкалы — это разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы (у микрометра она равна 0,01 мм).
3. Градуированная характеристика — зависимость между значениями величин на выходе и входе средства измерений.
4. Диапазон показаний — область значении шкалы, ограниченная конечным и начальным значениями шкалы, то есть наибольшим и наименьшим значениями измеряемой величины.
5. Диапазон измерений область значений измеряемой величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерения.
6. Чувствительность прибора — отношение изменения сигнала на выходе изме-рительного прибора к изменению измеряемой величины (сигнала) на входе. Так, если изменение измеряемой величины составило Δ d = 0,01 мм, что вызвало перемещение стрелки показывающего устройства на Δ l = 10 мм, то абсолютная чувствительность прибора составляет S = Δ l / Δ d = 10/0,01 = 1000. Для шкальных измерительных приборов абсолютная чувствительность численно равна передаточному отношению.
7. Вариация (нестабильность) показаний прибора — алгебраическая разность между наибольшим и наименьшим результатами измерений при многократном измерении одной и той же величины в неизменных условиях.
8. Стабильность средства измерений — свойство, выражающее неизменность во времени его метрологических характеристик (показаний).

 

Классы точности средств измерений, обобщённая характеристика средств измерений, служащаяпоказателем установленных для них государственными стандартами пределов основных и дополнительныхпогрешностей и др. параметров, влияющих на точность. Например, для концевых мер длины К. т.характеризуют пределы допускаемых отклонений от номинального размера и влияние измененийтемпературы, а также допустимую непараллельность рабочих поверхностей и отклонение их от идеальнойплоскости. Введение К. т. облегчает стандартизацию средств измерений и их подбор для измерений стребуемой точностью.

 

Изза разнообразия измеряемых величин и средств измерений нельзя ввести единый способ выраженияпределов допускаемых погрешностей и единые обозначения К. т. Если пределы погрешностей выражены ввиде приведенной погрешности (т. е. в процентах от верхнего предела измерений, диапазона измеренийили длины шкалы прибора), а также в виде относительной погрешности (т. е. в процентах отдействительного значения величины), то К. т. обозначают числом, соответствующим значению погрешности.Например: К. т. 0,1 соответствует погрешность 0,1%. Многие показывающие приборы (амперметры,вольтметры, манометры и др.) формируются по приведённой погрешности, выраженной в процентах отверхнего предела измерений. В этих случаях применяется ряд К. т.: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Принормировании по относительной погрешности обозначение К. т. заключают в кружок.

Для гирь, мер длины и приборов, для которых предел погрешности выражают в единицах измеряемойвеличины, К. т. принято обозначать номером (1-й, 2-й и т.д. ‒ в порядке снижения К. т.). При указанииконкретного К. т. слово «точность» обычно опускается, например гири 3-го класса. Ряды К. т., ихобозначения и соответствующие требования к средствам измерений включаются в стандарты (ГОСТ) наотдельные их виды.

Инструментальный метод основан на использовании специальных технических средств, в том числе автоматизированных и автоматических.

Метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.
Примеры:

• Измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями (мерами массы с известным значением).
• Измерение напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнением с известной ЭДС нормального элемента.

К разновидностям метода сравнения с мерой относится и метод замещения, широко применяемый в практике точных метрологических исследований. Сущность метода в том, что измеряемая величина замещается в измерительной установке некоторой известной величиной, воспроизводимой мерой. Замещение может быть полным или неполным, в зависимости от чего говорят о методе полного или неполного замещения. При полном замещении показания не изменяются и результат измерения принимается равным значению меры. При неполном замещении для получения значения измеряемой величины к значению меры следует прибавить величину, на которую изменилось показание прибора.

 

Средством измерения (СИ) называется техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.

Средства измерения классифицируют по следующим признакам:

по конструктивному исполнению;

метрологическому назначению;

уровню

По конструктивному исполнению СИ подразделяются на: меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, измерительные установки, измерительные системы.

Мера — это средство измерения, предназначенное для воспроизведения заданного размера. Например: гиря — мера массы, резистор — мера электрического сопротивления.

Измерительный преобразователь — это средство измерения, предназначенное для выработки измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки или хранения, но недоступной для непосредственного восприятия наблюдателем (термопара, частотный преобразователь).

Измерительные преобразователи могут быть первичными, к которым подведена измеряемая величина, и промежуточными, которые располагаются в измерительной цепи за первичными. Примерами первичных измерительных преобразователей являются термопары, датчики.

Измерительный прибор — средство измерения, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне (рН-метры, весы, фото-электроколориметры и т.д.).

Под измерительной установкой понимают совокупность средств измерений (мер, измерительных приборов, преобразователей) и вспомогательных устройств для выработки сигналов информации в форме, удобной для восприятия и расположенных в одном месте (испытательный стенд).
Инструментальный метод основан на использовании специальных технических средств, в том числе автоматизированных и автоматических.

Метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.
Примеры:

• Измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями (мерами массы с известным значением).
• Измерение напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнением с известной ЭДС нормального элемента.

К разновидностям метода сравнения с мерой относится и метод замещения, широко применяемый в практике точных метрологических исследований. Сущность метода в том, что измеряемая величина замещается в измерительной установке некоторой известной величиной, воспроизводимой мерой. Замещение может быть полным или неполным, в зависимости от чего говорят о методе полного или неполного замещения. При полном замещении показания не изменяются и результат измерения принимается равным значению меры. При неполном замещении для получения значения измеряемой величины к значению меры следует прибавить величину, на которую изменилось показание прибора.

 

Средством измерения (СИ) называется техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.

Средства измерения классифицируют по следующим признакам:

по конструктивному исполнению;

метрологическому назначению;

уровню

По конструктивному исполнению СИ подразделяются на: меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, измерительные установки, измерительные системы.

Мера — это средство измерения, предназначенное для воспроизведения заданного размера. Например: гиря — мера массы, резистор — мера электрического сопротивления.

Измерительный преобразователь — это средство измерения, предназначенное для выработки измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки или хранения, но недоступной для непосредственного восприятия наблюдателем (термопара, частотный преобразователь).

Измерительные преобразователи могут быть первичными, к которым подведена измеряемая величина, и промежуточными, которые располагаются в измерительной цепи за первичными. Примерами первичных измерительных преобразователей являются термопары, датчики.

Измерительный прибор — средство измерения, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне (рН-метры, весы, фото-электроколориметры и т.д.).

Под измерительной установкой понимают совокупность средств измерений (мер, измерительных приборов, преобразователей) и вспомогательных устройств для выработки сигналов информации в форме, удобной для восприятия и расположенных в одном месте (испытательный стенд).

 

Тема 1.2

Измерения температуры

Температурой называют величину, характеризующую тепловое состояние тела (степень нагретости).

Термометры расширения

 

- это приборы, в которых для измерения t ° используется свойство теплового расширения вещества (жидкость, газ или твердое тело).

Конструктивные формы стеклянных жидкостных термометров делятся на два типа: палочные и со вложенной шка­лой.

Для заполнения жидкостных термометров применяют ртуть, толуол, этиловый спирт, керосин, петролейный эфир, пентан и т. д.

Из жидкостных термометров наибольшее распространение полу­чили ртутные, т.к. ртуть не смачивает стекла, срав­нительно легко получается в химически чистом виде.

Достоинства: дешевизна, высокая точность измерения, простота конструкции и использования.

Недостатки: плохая видимость шкалы, невозможность ремонта, непередаваемость сигнала на расстояние.

Стеклянные жидкостные термометры выпускаются следующих разновидностей:

1. Образцовые (цена деления – до 0,01 °С); 2. Лабораторные (интервал измерения ± 50°С); 3. Технические (-30 ¸ +50 °С; 0 ¸ +600 °С); 4. Метеорологические; 5. Бытовые; 6. Специальные (электроконтактные служат для поддержания постоянной температуры или для сигнализации -30 ¸ +300 °С).

Манометрические термометры

 

Действие манометрических термометров основано на использо­вании зависимости давления вещества, находящегося в герметично замкнутой термосистеме, при постоянном объеме от температуры. Замкнутая измерительная система манометрического термометра состоит (рис. 2) из металлического термобаллона (чувствительного элемента) 1, вос­принимающей температуру измеряемой среды, манометрической пружины 2, и длинного соединительного металлического капилляра 3.

Манометрические термо­метры часто используют в систе­мах автоматического регулирова­ния температуры, как бесшкальные устройства информации (датчики).

 

Рис. 2 - Схема манометрического термометра

 

Манометрические термометры подразделяют на:

1) жидкостные; в качестве термо­метрического вещества чаще используют ртуть, интервал температур от –25 до 600°С и реже органические жид­кости: метиловый спирт или ксилол С₆Н₄(СН₃)₂, в интервале температур от –80 до 320°С. Длина капилляра ограничена до 10 м.

2) конденсационные, в которых термобаллон заполнен на ³/₄ жид­костью с низкой температурой кипения и частично (¹/₄) – ее насыщен­ными парами, а соединительный капилляр и манометр – насыщен­ными парами жидкости или, чаще, специальной передаточной жид­костью (глицерин-пропантриоль). Рабочее вещество: ацетон (С₃Н₆О), этилбензол (С₈Н₁₀), ртуть, фреон 22 (СНF₂Cl) и т.д. Диапазон: -50 ¸+300 °С. Длинна капилляра £ 25 м. Отсутствует погрешность за счет температуры окружающей среды, так как давление внутри капилляра за счет перераспределения жидкости и газа остается неизменным.

3) газовые (заполнены инертным газом). Рабочее вещество: Азот, реже Гелий. Интервал температур: –160 ¸ +600°С. Длина капилляра £ 25 м, Æ термобаллона 22 мм.