Измерения физических величин. Классификация физических величин. 3 страница

Свойство средства измерений сохранять значение показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и транспортирования называется его сохраняемостью.

Одной из основных форм поддержания средства измерений в метрологическом исправном состоянии является его периодическая поверка. Она проводится метрологическими службами согласно правилам, изложенным в специальной нормативно-технической документации. Поверку необходимо проводить через оптимально выбранные интервалы времени, называемые межповерочными интервалами (МПИ).

Межповерочные интервалы устанавливаются в календарном времени для средств измерений, изменение метрологических характеристик которых обусловлено старением и не зависит от интенсивности эксплуатации. Значения МПИ рекомендуется выбирать из следующего ряда: 0, 25; 0, 5; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 9; 12; 6 К - месяцев, где К – положительное число.

При нахождении МПИ выбирается метрологическая характеристика, определяющая состояние метрологической исправности средства измерений. В качестве таких характеристик, как правило, используются основная погрешность, среднеквадратичное отклонение случайной составляющей погрешности и некоторые другие. Если состояние метрологической исправности определяют несколько МХ, то из них выбирается та, по которой обнаруживается наибольший процент брака при поверках.

Определение межповерочного интервала по экономическому критерию состоит в решении задачи по выбору такого интервала, при котором можно минимизировать расходы на эксплуатацию средства измерений и устранить последствия от возможных ошибок, вызванных погрешностями измерений. Исходной информацией для определения МПИ служат данные о стоимости поверки и ремонта средства измерений, а также об ущербе от изъятия его из эксплуатации и от использования метрологически неисправного прибора.

Наиболее простым является метод, состоящий в произвольном назначении МПИ с последующей корректировкой его величины. В этом случае при минимальной исходной информации назначается первоначальный интервал, а результаты последующих поверок являются исходными данными для его корректировки.

Первый МПИ выбирается в соответствии с рекомендациями нормативных документов государственных и ведомственных метрологических служб.

Последующие значения МПИ определяются путем корректировки первого интервала с учетом результатов проведенных поверок из большого числа однотипных средств измерений.

Основная литература:

Дополнительная литература:

Контрольные вопросы:

1.По каким признакам классифицируют средства измерений?

2. Какие метрологические характеристики описывают погрешность средств измерений?

3.Что такое межповерочный интервал?

Тема лекции 5. Моделирование средств измерений. Классификация аналоговых измерительных приборов. Механические первичные преобразователи.Информационно-измерительные приборы и системы.

Классификация аналоговых измерительных приборов. Аналоговый измерительный прибор представляет собой устройство, пред­назначенное для преобразования измерительной информации в форму, доступную для непосредственного восприятия наблюдателем.

В настоящее время имеет­ся свыше 10⁶ различных аналоговых приборов, поэтому возникает необходимость классификации измерительных приборов, но при этом она становится все сложнее.

Классификация может быть осуществлена по следующим признакам:

- измеряемая величина (прибор для измерения линейных размеров, прибор для измерения температуры);

- принцип измерения (электромеханический, термоэлектри­ческий);

- вид измерительного сигнала, преимущественно используе­мый в измерительном приборе (механический, электрический);

- метод измерения (непосредственная оценка измеряемой величины, компенсационный метод);

- тракт измерительного сигнала (разомкнутый, замкнутый);

- характер изменения измерительного сигнала (линейный, нелинейный);

- режим передачи измерительного сигнала (статический, динамический).

Механические измерительные приборы обычно характеризуются довольно простым конструктивным исполнением и надежным функционированием. Поскольку все измерительные преобразователи и усиливающие блоки имеют некоторую массу, они оказывают обратное воздействие на объект измерения и часто вызывают довольно значительные искажения результатов при проведении динамических измерений. Этот недостаток частично
может быть исключен путем перехода к оптическим сигналам,
поэтому в настоящее время при проведении точных линейных измерений широкое применение находят оптико-механические системы.

Быстрое развитие измерительной техники в течение последних десятилетий связано преимущественно с применением электрических и электронных измерительных приборов. Электрическими аналоговыми приборами называются приборы, измеряющие различные физические величины и преобразующие их в аналоговые электрические сигналы. Эти приборы характеризуются высоким временным разрешением, простой реализуемостью математических операций, большим усилением и использованием в ряде случаев бесконтактных первичных измерительных преобразова­телей.

К этому необходимо добавить осуществление многоканальных измерений и отсчетов, практически неограниченную возможность дистанционной передачи данных, простую регистрацию, а также возможность электронной обработки результатов измерений с помощью аналоговых вычислительных машин. К недостаткам анало­говых электрических измерительных приборов можно отнести подверженность внешним помехам, например воздействиям температуры и электрических полей. Довольно часто электрические измерительные приборы оказываются более дорогими по сравнению с механическими.

Механические первичные преобразователи. Рассмотриммеханические преобразователи силы.

При механическом измерении силы в качестве первичных преобразователей используются деформируемые элементы, формы которых определяются задачами измерений. Так, в качестве первичных преобразователей силы служат специальные пружины, работающие на изгиб или кручение, для малых усилий компак­тные сжимаемые тела для больших усилий.

В пределах области упругости для одноосного состояния на­пряжения согласно закону Гука имеется линейная зависимость между деформацией и механическим напряжением :

, (5.1)

где Е — модуль упругости.

Так как

, (5.2)

где l — длина; — изменение длины, причем при растяжении или сжатии, и

(5.3)

где S — площадь поперечного сечения; F— усилие, то определение силы сводится к определению изменения длины:

(5.4)

При использовании пружин, работающих на изгиб или круче­ние, нагрузка вводится как момент. При этом деформация пру­жины, работающей на изгиб, в точке х определится из выраже­ния:

а угол закручивания пружины, работающей на кручение, — из выражения (5.5):

(5.5)

В формулах (5.1) – (5.5) Е — модуль упругости; G — модуль сдвига; I — момент инерции; М_ь — изгибающий момент; М, — момент кручения; W_p — полярный момент сопротивления.

Информационно-измерительные приборы и системы. Появление измерительных информационных комплексов и систем, а также приборов с применением специализированных микропроцессорных, компьютерных и виртуальных технологий вызвано следующими аспектами:

- широким распространением специализированных многофункциональных микропроцессоров и персональных компьютеров, имеющих высокое быстродействие, большие объемы памяти, стандартные интерфейсы, практически неограниченные графические возможности, позволяющие создать функционирующие в реальном масштабе времени виртуальные измерительные устройства, с высокой степенью подобия воспроизводящие поведение тех или иных физических приборов и систем;

- созданием автоматизированных информационно-измерительных систем различного назначения, таких как автоматизированные системы научных исследований и комплексных испытаний, физические и космические объекты и пр.;

- возможностью реализации в весьма компактной форме измерительных приборов и модулей;

- появлением измерительного программирования, под которым понимается программирование для информационно-измерительной техники и систем, позволяющее ей проводить измерение, контроль, диагностирование или распознавание образов, включая функции сбора, передачи, обработки, представления измерительной информации в управлении измерительным экспериментом.

В зависимости от выполняемых функций ИС можно условно разделить на три основных вида: измерительные системы измерения и хранения информации (измерительные системы прямого назначения). К ИС относят также системы распознавания образов и системы технической диагностики.

Измерительные системы прямого назначения условно делят на: информационно-измерительные системы (ИИС); измерительно-вычислительные комплексы (ИВК); виртуальные информационно-измерительные приборы или компьютерно-измерительные системы (КИС).

Самым широким классом измерительных систем прямого назначения являются ИИС. Основные функции ИИС – получение измерительной информации от объекта исследования, ее обработка, передача, представление информации оператору или/и компьютеру, запоминание, отображение и формирование управляющих воздействий. ИИС должна:

- управлять измерительным процессом или экспериментом в соответствии с принятым критерием функционирования;

- выполнять возложенные на нее функции в соответствии с назначением и целью;

-обладать требуемыми показателями и характеристиками точности, помехоустойчивости, быстродействия, надежности, пропускной способности, адаптивности, сложности;

- отвечать экономическим требованиям, предъявляемым к способам и форме представления информации, размещения технических средств; быть приспособленной к функционированию с измерительными информационными системами смежных уровней иерархии и другими ИИС.

Основной функцией ИИС, как и любой другой технической системы, является целенаправленное преобразование входной информации в выходную. Это преобразование выполняется либо автоматически с помощью аппаратуры технического обеспечения в сложных ИИС, ИВК и виртуальных приборах.

Применение современных средств цифровой схематичной техники коренным образом изменило принципы построения ИИС. Кроме того, методы обоснованного распределения и направления информационных потоков дают возможность уменьшить их избыточность. Это позволяет ставить задачу о возможно максимальном переносе обработки измерительной информации к месту ее формирования, т.е. перейти к конвейерной обработке измерительной информации в распределенной ИИС. В целом такая система состоит из следующих основных частей: системы первичных преобразователей (датчиков), устройств сбора и первичной обработки информации, средств вторичной обработки информации, устройств управления и контроля, устройств связи с другими системами объекта, накопителей информации.

По организации алгоритма функционирования различают следующие виды ИИС:

- с заранее заданным алгоритмом работы, правила функционирования которых не меняются, поэтому их можно использовать только для исследования объектов, работающих в постоянном режиме;

- программируемые, в которых изменяют алгоритм работы по заданной программе, составляемой в соответствии с условиями функционирования объекта исследования;

- адаптивные, алгоритм работы которых, а часто и структура, изменяются, приспосабливаясь к изменениям измеряемых величин и условий работы объекта;

- интеллектуальные, обладающие способностью к перенастройке в соответствии с изменяющимися условиями функционирования и способные выполнять все функции измерения и контроля в реальном масштабе времени.

Математическое, программное и информационное обеспечение входит в состав лишь ИИС с вычислительными комплексами.

Математическое обеспечение – аналитические (математические) модели объекта исследования (измерения) и вычислительные алгоритмы.

В последние годы при создании ИС наиболее часто используют математическое моделирование, реализующее цепочку: объект – модель – вычислительный алгоритм – программа для компьютера – расчет на компьютере – анализ результатов расчета – управление объектом исследования.

Алгоритм измерения может быть представлен программно, словесно, аналитически, графически или сочетанием этих методов. Последовательность действий при этом не произвольна, а реализует тот или иной метод решения.

Программное обеспечение ИИС включает в себя системное и общее прикладное программное обеспечение, которое реализуется программной подсистемой. Системное программное обеспечение – это совокупность программного обеспечения компьютера, используемого в ИИС, и дополнительных программных средств, позволяющих работать в диалоговом режиме; управлять измерительными компонентами; обмениваться информацией внутри подсистем комплекса; автоматически проводить диагностику технического состояния.

По существу, программное обеспечение ИИС представляет собой взаимодополняющую, взаимодействующую совокупность подпрограмм, реализующих:

- типовые алгоритмы эффективного представления и обработки измерительной информации, планирования эксперимента и других измерительных процедур;

- архивирование данных эксперимента;

- метрологические функции комплекса (аттестацию, поверку, экспериментальное определение нормируемых метрологических характеристик и пр.).

Информационное обеспечение определяет способы и конкретные формы информационного отображения состояния объекта исследования в виде документов, диаграмм, графиков, сигналов для их представления обслуживающему персоналу и компьютеру для дальнейшего использования в управлении.

Всю измерительную систему в целом охватывает метрологическое обеспечение.

В структуру технической подсистемы ИИС входят:

- блок первичных измерительных преобразователей;

- средства вычислений электрических величин (измерительные компоненты);

- совокупность цифровых устройств и компьютерной техники (вычислительных компонентов);

- меры текущего времени и интервала времени;

- блок вторичных измерительных преобразователей;

- устройства ввода-вывода аналоговых и цифровых сигналов с нормированными метрологическими характеристиками;

- совокупность элементов сравнения, мер и элементов описания;

- блок преобразователей сигнала, цифровых табло, дисплеев, элементов памяти и пр.;

- различные накопители информации.

Важное значение для эксплуатации ИИС имеет эргономическое, эффективное и наглядное построение форм дисплея и управляющих элементов, называемых интерфейсом пользователя, обеспечивающих взаимодействие оператора с персональным (или специализированным) компьютером. В общем случае интерфейсом называют устройство сопряжения персонального компьютера со средствами измерений или любыми другими внешними техническими системами. Эффективность работы рассматриваемого интерфейса заключается в быстром развитии у пользователя простой концептуальной модели взаимодействия с ИИС.

Основная литература:

Дополнительная литература: ;

Контрольные вопросы:

1.Какие признаки используются для классификации аналоговых из­мерительных приборов?

2. Какие существуют виды механических первичных преобразователей?

3.Что представляют собой измерительные системы и как их классифицируют?

Тема лекции 6. Основы стандартизации. Введение. Цели и задачи стандартизации. Методические основы стандартизации. Система предпочтительных чисел. Международные организации по стандартизации.

Введение. Практически во всех экономически развитых странах деятельность по установлению требований к продукции и услугам, процессам их производства и реализации, а также по контролю соблюдения этих требований базируется на системах стандартизации, контроля, подтверждения соответствия и сертификации. Любое изменение по отношению к стандартизации внешних условий вызывает и изменение ее самой. Внешние условия – переход в начале 90-х гг. ХХ в. экономики Республики Казахстан к рыночному типу. Это нашло отражение и в усовершенствованной национальной системе стандартизации, что было подтверждено в основополагающем законе РК «О стандартизации». В результате принятия закона появились новые правовые акты, нормативные документы по стандартизации и виды стандартов, свод правил и т.д.

Цели стандартизации. Стандартизации осуществляется в соответствии с целями:

- установления норм, правил и характеристик (далее - требований) к продукции, процессам (работам), услугам;
- обеспечения безопасности продукции, процессов (работ), услуг для жизни, здоровья людей, имущества, охраны окружающей среды;
- устранения технических барьеров в торговле, обеспечения конкурентоспособности продукции на внутреннем и внешнем рынках;
- обеспечения технической и информационной совместимости, а также взаимозаменяемости продукции;
- обеспечения единства измерений;
- сохранения и рационального использования всех видов ресурсов;
- обеспечения обороноспособности и мобилизационной готовности страны;
- обеспечения безопасности хозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф и других чрезвычайных ситуаций;
- защиты интересов потребителей в вопросах качества продукции, процессов (работ), услуг.

Методические основы стандартизации. Применяемые в области стандартизации правила, нормы, рекомендации, методические и описательные положения предназначены для установки правил, принципов, норм, относящихся к деятельности по стандартизации, организации работ по стандартизации, разработке, пересмотру и отмене стандартов, их структуре, схемам разработки, правилам изложения и оформления.

В методологии стандартизации как процесса управления особое значение приобретают определенные подходы: системный анализ в стандартизации; научный подход в стандартизации; принцип предпочтительности; унификация, агрегатирование и симплификация.

Системный анализ в стандартизации включает следующие основные принципы:

- направленность на выявление целей системы;

- изучение динамического характера процессов, протекающих в системах, их функционирования и развития;

- определение и исследование всех существенных взаимосвязей как внутри системы, так и между системой и внешней средой, а также выбор частных решений с учетом их влияния на систему в целом;

- поиск вариантов решения и выбор наилучшего из них;

- нахождение оптимальных решений на основе сравнения эффекта затрат;

- учет случайно действующих факторов.

Научный подход в стандартизации основан на том, что основные показатели, нормы, характеристики и требования, включаемые в стандарт, должны соответствовать передовому уровню науки техники и основываться на результатах научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

Принцип предпочтительности используют при разработке стандартов на изделияширокого применения, решении задач рационального выбора и установления градаций количественных значений параметров изделий, проведении унификации, типизации и должен основываться на использовании рядов предпочтительных чисел. Требования научно-технического прогресса и разработка конкурентоспособной продукции вынуждают производителей создавать и выпускать все более совершенные изделия одного и того же назначения. Исключить неоправданно большую номенклатуру этих изделий и обеспечить согласование между собой их параметров и размеров можно лишь на основе стандартов параметров.

Суть параметрического подхода в стандартизации заключена в том, что параметры изделий массового производства устанавливают по определенным правилам на основе предпочтительных чисел. Отметим, что практически все системы согласования параметров строятся на трех основных правилах:

-пропорциональности – параметры объекта пропорциональны одному главному параметру;

- аддитивности – параметры объекта укладываются в ряды чисел, образуемых путем последовательного сложения;

- мультипликативности – параметры объекта укладываются в ряды чисел, образуемых путем умножения на постоянный множитель.

Система предпочтительных чисел. Рассмотрим систему предпочтительных чисел (система рекомендована ИСО) – ряды R. Специальные исследования показали, что наиболее оптимальными являются ряды, построенные на геометрической прогрессии. Преимущество геометрической прогрессии состоит в том, что в любом интервале процент увеличения величины числа является неизменным; недостаток – все ее члены обязательно округляются.

Пусть имеется геометрический ряд, в котором коэффициенты - члены прогрессии. В ряде, построенном на основе геометрической прогрессии, постоянен ее знаменатель , т.е. отношение последующего члена к предыдущему:

Каждый последующий член ряда является произведением предыдущего члена на знаменатель ряда и любой i -й член геометрической прогрессии:

Например, при значениях имеем геометрический ряд 1, 2, 4, 8, 16, …, а при - ряд 1; 1, 4; 2; 2, 8, ….

Ряды, построенные на основе геометрической прогрессии, обладают следующими свойствами:

- произведение или частное каждых любых из двух его членов является членом ряда;

- любой член ряда, возведенный в целую положительную степень, также является членом этого ряда.

Менее удобны применяемые иногда ряды, построенные на основе арифметической прогрессии. В арифметической прогрессии разность между ее соседними членами постоянна и любой член

где а₁ – первый член прогрессии; b – разность прогрессии; n – номер члена. В частности, последовательность чисел 1, 2, 3, 4, 5, … представляет арифметическую прогрессию, возрастающую с разностью 1. Последовательность чисел 1; 0, 75; 0, 5; 0, 25… - арифметическая прогрессия, убывающая с разностью 0, 25.

Несмотря на простоту, ряды предпочтительных чисел, построенные на основе арифметической прогрессии, имеют недостаток – неравномерность ряда, ограничивающий их применение. Так, в приведенной последовательности с разностью 1 второй член ряда превышает первый на 100%, десятый больше девятого на 11%, а сотый больше 99-ого всего на 1%. В результате большие числа следуют друг за другом с очень малыми интервалами, что не всегда оправдано и рационально. Для устранения этого недостатка используют ступенчатые ряды, составленные из отрезков арифметических рядов с различными разностями. По такому принципу построен ряд номиналов монет РК – 1, 2, 5 тенге.

Международной организацией по стандартизации рекомендовано для построения рядов предпочтительных чисел на основе геометрической прогрессии использовать такие ряды, в которых происходит десятикратное увеличение каждого следующего n -го члена. Наиболее удобными для практики были признаны ряды, у которых первый член и знаменатель

Стандартом установлено четыре основных ряда предпочтительных чисел, обозначаемых R5, R10. R20, R40, и один дополнительный R80, значения для которых соответственно равны:

Ряды предпочтительных чисел, приведенные в стандарте, включают их значения в диапазоне от 0 до , полученные для величин а ₁, лежащих в интервале

Для перехода от чисел этого интервала в любой другой десятичный интервал необходимо умножить соответствующее число на 10 ^к, где к – целое положительное или отрицательное число. Например, при к =1 все числа ряда перейдут в интервал а при к =-1 – в интервал

Допускается также использовать производные ряды, которые образуются из основных путем отбора каждого второго, третьего или в общем случае каждого n - го члена ряда. В радиотехнике кроме рядов R для выражения числовых параметров ряда электрических величин используют числа, построенные по рядам, рекомендуемых МЭК. Для данных рядов (ряда Е) Примером применения рядов Е могут служить ряды номинальных значений сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов.

При построении и выборе параметрических рядов на конкретный параметр существуют два основных метода обоснования: техническое и экономическое. При использовании метода технического обоснования задача сводится к тому, чтобы построить ряд на параметр изделий, который может быть функционально зависим от другого параметра, параметрический ряд на который задан. Этот же метод должен использоваться в случаях, когда параметр анализируемого изделия связан по функциональному или эксплуатационному назначению с параметрами другого изделия, ряд на который задан.

Международная организация по стандартизации ИСО. Одной из самых авторитетных международных организаций в области стандартизации является ИСО (членами ИСО являются национальные организации по стандартизации более 140 стран мира). Она была создана в 1946 г. Сфера деятельности этой организации касается стандартизации во всех областях, кроме электротехники и электроники, относящихся к компетенции МЭК. Стратегическая цель ИСО – содействие стандартизации в мировом масштабе для улучшения международного товарообмена и взаимопомощи, а также для расширения сотрудничества в области интеллектуальной, научной, технической и экономической деятельности с помощью разработки международных стандартов, отвечающих мировому уровню. Чрезвычайно широко в мире используются международные стандарты ИСО, общее число которых превышает 12000, причем ежегодно принимаются и пересматриваются около 1000 стандартов. Международные стандарты ИСО обычно разрабатываются и вводятся в действие следующим образом. Специалистами ИСО выбирается за основу наиболее прогрессивный, современный и действующий стандарт одной из стран. Затем рассылается для ознакомления и сбора отзывов всем членам технического комитета по данному направлению. Далее на заседании технического комитета обсуждаются разногласия и вырабатывается единая редакция документа, которая утверждается на основе консенсуса. Стандарты ИСО носят рекомендательный характер, хотя часто применяются в международных и межгосударственных контрактах в качестве обязательных. Руководство 2 ИСО/МЭК, обобщая международный опыт стандартизации, представляет следующие виды стандартов: основополагающий стандарт; терминологический стандарт; стандарт на методы испытаний; стандарт на продукцию; стандарт на процесс; стандарт на услугу; стандарт на совместимость; стандарт с открытыми значениями; положения; методические положения; описательное положение.

Международная электротехническая комиссия (МЭК). МЭК была создана в 1906 г. После создания ИСО организация МЭК стала автономной в ее составе. МЭК занимается стандартизацией в области электротехники, электроники, радиосвязи, приборостроения. Эти области не входят в сферу деятельности ИСО.

Основная цель организации, которая определена ее Уставом, - содействие международному сотрудничеству по стандартизации и смежных с ней проблемам в области электротехники и радиотехники путем разработки международных стандартов и других документов.