ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования 

«Уральский  государственный экономический  университет»

ЦЕНТР ДИСТАНЦИОННОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
 
 
 
 
 
 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА  

По дисциплине:  Методы и средства измерений, испытаний и контроля 

На тему: Метрологическая надёжность СИ   
 
 
 
 
 
 

Выполнил       Бобровский Варвара Сергеевна

студент:      

                                                 

                                          группа УК-09

                                                       

Проверил

преподаватель:     Михеева С.В. 
 
 
 
 
 
 
 

Екатеринбург

2011

Тема 1. Средства измерения, классификация и метрологические характеристики 

1.1.Средства  измерения 

Поскольку на практике необходимо измерять свойства общие  в качественном отношении многим объектам или явлениям, эти свойства без участия органов чувств человека должны быть каким-то образом обнаружены, в чем-то должны проявиться. Технические устройства, предназначенные для обнаружения (индикации) физических свойств называют индикаторами. Например, стрелка магнитного компаса – индикатор направления силовых линий магнитного поля; осветительная электрическая лампочка – индикатор наличия электрического напряжения в сети; лакмусовая бумага – индикатор активности ионов водорода в растворах. 

С помощью индикаторов  устанавливается наличие измеряемой физической величины и регистрируется изменение ее значения. В этом отношении индикаторы играют роль человеческих чувств, а также значительно расширяют их возможности. Человек слышит в диапазоне 16…20000 Гц, в то время как техническими средствами обнаруживаются звуковые колебания от инфранизких (доли герца) до ультравысоких частот. Видят люди в узком оптическом диапазоне электромагнитных волн, а инструментально регистрируются электромагнитные колебания от сверхнизкочастотных радиоволн до жесткого гамма-излучения с частотой порядка 1022 Гц. В то же время еще не создано устройств, которые могли бы соперничать с обонянием человека или животных. 

Так как индикаторы должны обнаруживать проявления внешнего мира, важнейшей их технической характеристикой  является порог обнаружения (чувствительности). Чем меньше порог – тем более слабые проявления свойства регистрируются индикатором. Современные индикаторы имеют очень низкий порог обнаружения, лежащий на уровне фоновых помех и собственных шумов аппаратуры. Последние имеют тепловую природу, поэтому для снижения порога чувствительные элементы и электронные узлы особо чувствительных индикаторов охлаждают до температуры, близкой к абсолютному нулю. 

Индикаторы являются средствами измерения по шкале порядка. Для измерения по шкале отношений необходимо сравнивать неизвестный размер с известным и выразить первый через второй в кратном или дольном отношении. Если физическая величина известного размера есть в наличии, то она непосредственно используется в сравнении. Так измеряют длину – линейкой, плоский угол – транспортиром, электрическое сопротивление – с помощью магазина сопротивлений. Если же нет физической величины известного размера, то сравнивается реакция прибора на воздействие измеряемой величины. Так измеряют: силу электрического тока – амперметром, давление – манометром, термодинамичекую температуру – термометром. При этом предполагается, что соотношение между откликами такое же, как и между сравниваемыми размерами. Для облегчения сравнения отклик на известное воздействие фиксируют на шкале прибора еще на стадии его изготовления, после чего разбивают шкалу на деления в кратном и дольном отношении. Эта процедура называется градуировкой шкалы. 

Все технические  средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства, называются средствами измерений. К ним относятся все вещественные меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы и установки. 

Вещественные  меры предназначены для воспроизведения  физической величины заданного размера, который характеризуется так называемым номинальным значением. При условии, что указывается точность, с которой воспроизводится номинальное значение физической величины, гиря является мерой массы, конденсатор – мерой емкости и т.д. Различают однозначные и многозначные меры, а также наборы мер. Гиря и конденсатор – однозначные меры, линейка и переменный конденсатор – многозначные. Измерения методом сравнения с мерой выполняются с помощью компаратора. Им могут служить равноплечные весы, измерительный мост. 

Измерительные преобразователи – это средства измерений, преобразующие измерительную информацию в форму, удобную для дальнейшего преобразования, хранения, обработки, но, как правило, недоступную для непосредственного восприятия наблюдателем. К измерительным преобразователям относятся термопары, измерительные усилители, преобразователи давления. По месту, занимаемому в измерительной цепи, они делятся на первичные, промежуточные и т.д.  

Измерительный прибор представляет собой совокупность преобразовательных элементов, образующих измерительную цепь, и отсчетного устройства. В отличие от вещественной меры измерительный прибор не воспроизводит известное значение физической величины.  

Измерительные установки состоят из функционально  объединенных средств измерений  и вспомогательных устройств, собранных в одном месте. В измерительных системах эти средства и устройства территориально разобщены и соединены каналами связи. И в установках, и в системах измерительная информация может быть представлена в форме, удобной как для непосредственного восприятия, так и для автоматической обработки, передачи и использования в автоматизированных системах управления. 

Качество измерений  зависит от многих факторов, однако в некоторых случаях требуется  заранее знать, какое влияние  на результаты измерений и их точность оказывают средства измерений. К таким случаям относятся: 

– Априорная  оценка точности измерений. При ее выполнении наряду с другими факторами должна учитываться точность средств измерений; 

– Выбор средств  измерений, применение которых в известных условиях обеспечит требуемую точность измерений. Эта задача является обратной к предыдущей; 

– Сравнение  различных средств измерений  по их метрологическим свойствам  как на этапе проектирования, так  и в процессе эксплуатации. 

Характеристики  средств измерений, оказывающих влияние на результаты измерений и их точность, называются метрологическими характеристиками средств измерений. Их можно разбить на группы: 

– Характеристики, предназначенные для определения  показаний средств измерений. К  ним относятся: функция преобразования измерительного преобразователя; значения однозначной или многозначной меры; вид выходного кода, разрядность кода средств измерения, предназначенных для выдачи результатов в цифровом коде. 

– Характеристики качества показаний – точности и правильности. Точность показания определяется его средним квадратическим отклонением. Правильность обеспечивается внесением поправки, устанавливаемой при метрологической аттестации средства измерений. 

– Характеристики чувствительности средства измерений к влияющим величинам. К ним относятся функции влияния и учет изменений метрологических характеристик средств измерений, вызванных изменениями влияющих величин. 

– Динамические характеристики средств измерений, учитывающие их инерционные свойства. 

– Характеристики взаимодействия с устройствами на выходе и на входе средств измерений. 

– Неинформативные  параметры выходного сигнала, обеспечивающие нормальную работу устройства, подключенного  к средству измерений. Например, выходным сигналом преобразователя напряжения в среднюю частоту следования импульсов является последовательность импульсов. Для определения значения измеряемого напряжения к выходу преобразователя подключается частотомер. Он будет нормально работать только в том случае, если амплитуда и форма импульсов преобразователя, хотя они не несут информацию о значении измеряемого напряжения, будут удовлетворять определенным условиям.  

Метрологические характеристики являются показателем  качества и технического уровня всех без исключения средств измерений.  

Учет всех метрологических  характеристик средств измерений  – сложная и трудоемкая процедура, оправданная только при измерениях очень высокой точности, характерных  только для метрологической практики. В обиходе и на производстве такая  точность, как правило, не нужна. Средства измерений, используемые в повседневной практике, принято делить по точности на классы. Классом точности называется обобщенная характеристика всех средств измерений данного типа, обеспечивающая правильность их показаний и устанавливающая оценку снизу точности показаний. У плоскопараллельных концевых мер длины, например, такими характеристиками являются: пределы допустимых отклонений от номинальной длины и плоскопараллельности; пределы допустимого изменения длины в течение года. 

Обозначения классов  точности наносятся на циферблаты, корпуса средств измерений, приводятся в нормативных актах. Обозначения  могут быть в виде заглавных букв латинского алфавита, римских цифр. Их значение расшифровывается в нормативно-технической  документации. Если же класс точности обозначается арабскими цифрами с добавлением какого-либо условного знака, то эти цифры непосредственно устанавливают оценку снизу точности показаний средств измерений. 

Для средств  измерений с равномерной, практически  равномерной или степенной шкалой, нулевое значение выходного (входного) сигнала у которых находится на краю или вне диапазона измерений, обозначение класса точности арабской цифрой из ряда (1, 1.5, 1.6, 2, 2.5, 3, 4, 5, 6) ×10n, где n =1, 0, -1, -2 и т.д., говорит, что значение измеряемой величины не отличается от того, что показывает указатель отсчетного устройства, более чем на соответствующее число процентов от верхнего предела измерений. Заключение цифры в окружность означает, что проценты исчисляются непосредственно от того значения, которое показывает указатель. 

1.2. Метрологическая  надежность средств  измерений 

В процессе эксплуатации средства измерений может возникнуть поломка или неисправность, называемая отказом. Внезапные отказы вследствие их случайности прогнозировать нельзя. Для большого числа промышленно выпускаемых электрических и радиотехнических элементов средств измерений (транзисторов, резисторов, конденсаторов и т.д.) имеются специальные таблицы, в которых указывается интенсивность их отказов – количество отказов в единицу времени. Если таких данных нет, то их можно получить экспериментальным путем в результате испытания элементов на надежность. Для этого N однотипным элементам задаются одинаковые режимы работы и фиксируется число отказов M за время T. Тогда интенсивность отказа элемента вычисляется по формуле.  

 

Зная интенсивность  отказов каждого элемента, можно  определить интенсивность отказов  средства измерений, состоящего из этих элементов:  

 

где   n –  количество типов элементов, входящих в состав средства измерений; mi – количество элементов i-го типа. 

Когда речь идет о внезапных отказах, вероятность  безотказной работы определяется как

 

 и наработка на отказ (среднее время безотказной работы). 

 

По характеру  своего проявления внезапные отказы являются явными. Они сравнительно легко обнаруживаются и после выяснения их причин – устраняются. Сложнее дело обстоит с диагностикой так называемых постепенных отказов, которые заключаются в том, что с течением времени метрологические характеристики перестают соответствовать установленным для них нормам, и средство измерений вследствие этого становится непригодным. Такие отказы являются скрытыми и могут быть обнаружены только при очередной поверке средства измерений, поэтому межповерочные интервалы устанавливают исходя из метрологической надежности средств измерений. 

Метрологическая надежность – это свойство средств  измерений сохранять установленные  значения метрологических характеристик  в течение определенного времени  при нормальных режимах и рабочих условиях эксплуатации. Метрологическим отказом называют выход метрологической характеристики средства измерений за пределы нормы. Метрологические отказы являются следствием старения и износа элементов и узлов средств измерений, так что их интенсивность со временем возрастает.