Методы измерений. Их краткая характеристика

Контрольная работа № 0

Ответ на теоретический  вопрос

Вариант 0

Методы измерений. Их краткая характеристика

 

Метод измерений  представляет собой совокупность приёмов  использования принципов и средств  измерений: метод непосредственной оценки и метод сравнения с  мерой (мера – средство измерений, предназначенное  для воспроизведения физической величины заданного размера). Классификационным  признаком в таком разделении методов измерений является наличие  или отсутствие при измерениях меры.

Классификация методов измерений, приведена на рис. 1.

Метод непосредственной оценки (отсчета) – метод измерений, в котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия (прибор прямого действия – измерительный прибор, в котором сигнал измерительной информации движется в одном направлении, а именно с входа на выход).

Метод сравнения с мерой – метод измерения, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Методы сравнения в зависимости  от наличия или отсутствия при  сравнении разности между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой  мерой, подразделяют на нулевой и  дифференциальный.

Нулевой метод – это метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля (прибор сравнения, или компаратор, - измерительный прибор, предназначенный для сравнения измеряемой вели чины с величиной, значение которой известно).

Дифференциальный  метод – это метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор воздействует разность между измеряемой величиной и известной, воспроизводимой мерой.

Как в нулевом, так и в дифференциальном методе могут быть выделены методы противопоставления, замещения и  совпадения.

Метод противопоставления – метод сравнения с мерой, в котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами.

Метод замещения – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой.

Метод совпадения – метод сравнения с мерой, в котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.

Метод непосредственной оценки с отсчетом показаний по шкале  прибора характеризуется тем, что  лицу, осуществляющему измерение, не требуется каких-либо вычислений, кроме  умножения показаний прибора  на некоторую постоянную, соответствующую данному прибору. Примером данного метода измерений может служить взвешивание груза на пружинных весах . Масса груза здесь определяется на основе измерительного преобразования по деформации пружины.

Процесс измерения по методу непосредственной оценки характеризуется быстротой, что делает его часто незаменимым  для практического использования. Однако точность измерения обычно оказывается  невысокой из-за воздействия влияющих величин и необходимости градуировки  шкал приборов. Для точности измерения  по методу непосредственной оценки при  выполнении некоторых измерений, в  частности линейных, применяют метод  отсчета по шкале и нониусу  или верньеру (вспомогательной шкале). Этот метод характеризуется использованием совпадения отметок шкал (основной и вспомогательной).

Нулевой метод  измерения характеризуется равенством воздействий, оказываемых измеряемой величиной и мерой, на прибор, используемый для сравнения. В соответствии с  классификацией (см. рис. 1) различают нулевые методы противопоставления, замещения и совпадения. Первые два из этих методов иногда называют соответственно методами полного противопоставления и полного замещения.

Примером нулевого метода противопоставления может служить взвешивание груза Х на равноплечих весах, когда масса груза определяется массой гирь, уравновешивающих воздействие груза на рычаг весов. Состояние равновесия определяется по положению указателя нуль-индикатора, который в этом случае должен находиться на нулевой отметке. Весы при таком измерении выполняют функцию компаратора. данный метод используется для измерения самых разнообразных физических величин и, как правило, обеспечивает большую точность измерения, чем метод непосредственной оценки, за счет уменьшения влияния на результат измерения погрешностей средства измерений, которое в данном случае осуществляет только сравнение воздействий, создаваемых измеряемой величиной и мерой. Недостатком данного метода является необходимость иметь большое число мер различных значений для составления сочетаний, воспроизводящих величины, равные измеряемым, т. е. необходимость воспроизводить любое значение известной физической вели чины без существенного понижения точности. Как правило, это связано с существенными трудностями. Разновидностью рассмотренного метода является компенсационный метод измерений, применяемый в тех случаях, когда важно измерить физическую величину, не нарушая процесса, в котором она наблюдается. При подключении измерительного устройства, реализующего компенсационный метод, к объекту измерения на этом устройстве создается действие, направленное навстречу действию, создаваемому изучаемым явлениям. При этом создаваемое в измерительном устройстве явление изменяется до тех пор, пока не будет достигнута полная компенсация действия изучаемого явления на измерительное устройство. По размеру физической величины, создающей компенсирующее явление, судят о размере измеряемой физической величины. При условии полной компенсации изучаемое явление протекает в объекте так же, как оно протекает в случае, когда к объекту не подключено измерительное устройство.

Нулевой метод замещения состоит в том, что измеряемая физическая величина и мера последовательно воздействуют на измерительный прибор. При этом значение меры подбирают таким, чтобы ее воздействие на измерительный прибор было равно воздействию измеряемой физической величины. Нулевой метод замещения применяется в тех случаях, когда производятся точные измерения параметров, так как он позволяет практически исключить влияние изменений характеристик используемого средства измерений (в рассмотренном случае – изменение характеристик пружины) на результат измерения.

Нулевой метод совпадения состоит в совпадении сигналов двух периодических процессов, характеристика одного из которых измеряется, а другого – используется в качестве меры.

Дифференциальный  метод измерений характеризуется тем, что с помощью измерительного прибора методом непосредственной оценки измеряется разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой. Этот метод позволяет получить высокоточные результаты даже при использовании для измерения указанной разности относительно грубых средств измерений. Реализация дифференциального метода возможна только при условии наличия высокоточной меры, близкой по значению к измеряемой величине.

Различают дифференциальные методы противопоставления, замещения и совпадения.

Первые два из них иногда называют методами неполного противопоставления и неполного замещения. Примером метода неполного противопоставления может служить взвешивание на равноплечих весах, когда действие груза Х уравновешивается действием гири, служащей мерой, и силой упругой деформации пружины. По существу в данном случае по величине деформации пружины, значение которой может быть отсчитано по шкале, измеряется разность воздействий груза и гири на пружину. Так определяют разность их масс. Массу же груза определяют после взвешивания как сумму массы гири и показаний, считанных по шкале.

Сущность  дифференциального метода совпадения состоит в том, что совпадение сигналов двух периодических процессов  является неполным. При этом измеряется характеристика периодического процесса, представляющего собой результат  взаимодействия на званных выше двух периодических процессов. Результат  измерения определяется так же, как  во всех дифференциальных методах.

По приемам измерения выделяют:

-  контактный метод измерения;

   -  бесконтактный метод измерения.

       Контактный метод – это метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения.

Например, измерение температуры тела термометром.

         Бесконтактный метод – это метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент средства измерений не приводится в контакт с объектом измерения. Например, измерение температуры в доменной печи пирометром.__

 

Задача  №1

 

Вариант 0

В цепь гальванометра  включена термопара состоящая из медной константовой проволоки диаметром 2а=0,2 мм и длинна l=1м каждая. Чувствительность гальванометра по току i₀=10^-6А на деление шкалы, его внутреннее сопротивление r=50 Ом. На сколько делений отклонится стрелка гальванометра, если температура слоя термопары увеличить на 50 ^оС по отношению к температуре окружающей среды? Э.Д.С. термопары на единицу температуры ε₀=40^мкв/_К, удельное сопротивление меди ρ₁=0,17·10^-7 Ом·м, а константа ρ₂ =0,5·10^-6 Ом·м.

 

                                                     Задание №1

             Вариант 0

                                                       Решение

При увеличении температуры горячего спая термопары на величину ∆t,окружающей среды термо-э.д.с.термопары определяется выражением :

                            ,

Где -э.д.с. термопары на 1 Ток в цепи гальванометра найдём по закону Ома:

                                                                                                            

сопротивление гальванометра, Ом,

 –соответственно  сопротивление медной и константановой  проволок термопары , Ом. В свою очередь :

 

                                                                                                                   

где –соответственно удельное сопротивление меди и констаптапа ,Ом м

-длинна каждой из проволок, м.

-диаметр каждой проволоки, м

Подставим              в

 

Число делений, на на которое отклонится стрелка гальванометра:

 

  где  - чувствительность гальванометра, .

Ответ: на 30 делений.

Задача №2

 

Вариант 0

Определить чувствительность чашечного  манометра, заполненного ртутью. Площадь  поперечного сечения чашки 60 мм, а трубки 8 мм

 

 

                                Задача    №2    Вариант  0

                                          Пусть под действием разности  давлении

                                                     где -соответственно 

                                                 давление, подаваемые в сосуд  и в трубку Па,

                                                 ртуть в измеряемой трубке  поднимется на высоту 

                                                     м ,а широком сосуде опуститься на высоту      

                                                 м. Тогда высота столба h,соответствующая           

 измеряемой разности давлении  ,равна:

Так как объём жидкости в измеряемой трубке

равен объёму жидкости ,вытесненной из широкого

сосуда;

 

где –площади сечения измеряемой трубки и сосуда , м², формулу (2) можно представить в виде:

                                                   (4)

Умножив обе части (4) на ускорение  свободного падения g плотность ртути , поолучим

                                   

Первая часть выражения (5) равна  величине ,выраженное в Па, тогда (5) можно записать так;

   

Если отсчёт по шкале производить  в мм, то чувствительность прибора определяется по формуле:

             =6.61

Ответ : 6.61

Использованная литература

 

1 Метрология, технологические измерения  отрасли и сертификация приборов. Методические указания, учебная  программа и задания к контрольным  работам для студентов специальности  53 01 01 «Автоматизация технологических  процессов и производств» заочной  формы обучения. УО «МГУП», Могилёв. 2005

2 Фарзане Н.Г. Технологические измерения и приборы. – М.: ВШ, 1989. – 456 с.

3 Кулаков М.В. Технологические  измерения и приборы для химических  производств. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 462 с.

4 Кузнецов Н.Д., Чистяков В.С.  Сборник задач и вопросов по  технологическим измерениям и  приборам. – М.: Энергия