Лабораторне заняття №2 

Тема роботи: Вимірювальні прилади. Вимірювання фізичної величини. Похибки. Вимірювання температури за шкалами Цельсія і Кельвіна. Типи засобів вимірювання температури, тиску, концентраціі та ін. 

Мета роботи: Ознайомитись з сучасними вимірювальними приладами та методами вимірювань. 

 Теоретичні відомості

Вимірювання фізичної величини — це процес знаходження її значення дослідним шляхом за допомогою спеціальних технічних засобів вимірювань. У процесі вимірювання відбувається зрівняння вимірюваної величини з фізичною, якій присвоєно числове значення рівне одиниці і яка називається одиницею фізичної величини, чи одиницею вимірювання.

За шляхом вимірювання числового значення вимірюваної величини всі технічні виміри можна розділити на прямі і непрямі.

Прямі виміри – при яких шукане значення величини беруть безпосередньо із дослідних даних. Наприклад, вимірювання температури термометром, а надлишкового тиску – манометром. 

Непрямі виміри – коли числове значення шуканої величини визначають в результаті виконання математичних дії над величинами Хі, отриманих в прямих вимірах і зв’язаних з величиною Y залежністю:

 

Y=f(X1 ,X2, ..., Xn),

 

де Y – фізична величина, визначена шляхом непрямого виміру;

, – значення і-ої фізичної величини, виміряної прямим способом.

Прикладом непрямого виміру являється визначення абсолютного тиску як суми атмосферною тиску, виміряного барометром і надлишкового – манометром.

Точність вимірювання – це якість вимірювання, яка відображає близькість отриманого результату до дійсного значення виміряної величини.

Похибка вимірювання – це відхилення результатів вимірювання від істинного значення величини. Визначають такі похибки: абсолютну, яка має розмірність вимірюваної  величини; відносну – рівну відношенню абсолютної похибки до істинного значення вимірювальної величини; приведену похибку, що характеризує вимірювальний прилад і рівну відношенню похибки вимірювального приладу до його нормуючого значення (діапазон вимірювання); похибку засобів вимірювань – залежну від похибок вимірювальних засобів; похибку методу вимірювання (методичну похибку), викликану недосконалістю метода вимірювання.

Ціллю обчислення перелічених похибок вимірювання являється оцінка точності результату виміру чи введення поправок в результат виміру.

Під час проведення досліду можуть виникнути: систематична, випадкова й груба похибки. Систематичною похибкою вимірювання називається похибка, яка лишається сталою чи змінюється за визначеним законом при декількох вимірах однієї і тієї величини. Випадкова похибка вимірювання – яка змінюється випадково при повторних вимірах однієї і тієї величини. Грубою похибкою вимірювання називається похибка, що суттєво перевищує очікувану.

Вимірювальний прилад засіб вимірювань, в якому створюється візуальний сигнал вимірюваної інформації. Основне призначення вимірювальних приладів  - візуальний показ контрольованого параметра за допомогою показувального пристрою, реєстрація його значення на різних носіях, вироблення сигналу поточного значення для системи автоматичного регулювання.

Вимірювальні прилади класифікуються за декількома ознаками:

·        за видом подання результатів   – аналогові (безперервні) і цифрові (дискретні); за видом структурної схеми – прилади прямого вимірювання і прилади, що працюють за принципом компенсації;

·        за типом обчислювального пристрою, що використовується: сумуючі, інтегруючі і з обчисленням складних функцій;

·        за характером використання – стаціонарні (щитові) і переносні; за видом енергії, що використовується – електричні, пневматичні і гідравлічні прилади.

Вимірювальні прилади характеризуються наступними параметрами:

Діапазон вимірювань   метрологічна характеристика, що визначає інтервал значень вимірюваної величини, в межах якого пронормовані похибки засобу вимірювань.

Поріг чутливості  – найменше значення вимірюваної величини, яка може бути виявлена засобом вимірювань.

Чутливість пов'язує зміну значення вимірюваного параметра з відповідною йому зміною показів приладу.

Точність  – ступінь збігання показань вимірювального приладу з істинними значеннями вимірюваних величин. Чим менша ця різниця, тим більша точність приладу.

Стабільність  – здатність засобу вимірювальної техніки зберігати свої метрологічні характеристики в заданих границях протягом заданого інтервалу часу. Вимірювання температур

Температура – величина, яка характеризує степінь нагріву фізичного тіла. В даний час застосовується міжнародна практична температурна шкала (МПТШ) редакції 1986 року, згідно з якою основною температурою являється температура Т в Кельвінах (К). Поруч із цією температурою допускається користування температурою в ºС по шкалі Цельсія. Початковою точкою відліку шкали Кельвіна є температура, яка відповідає такому стану любого тіла, при якій припиняється тепловий рух елементарних частинок тіла. Початкова точка відліку шкали Цельсія – яка відповідає рівноваговому стану між твердою, рідкою і газоподібною фазами води (потрійна точка води) при нормальному атмосферному тиску (760 мм рт. ст.).

Співвідношення між температурами по шкалах Цельсія і Кельвіна наступне:

 

T(K)=t(°C)+273,15 t(°C)=T(K)-273,15

 

Для визначення температур користуються засобами вимірювання (табл.).

Принцип дії скляних рідинних термометрів оснований на розширенні термометричної рідини, заточеній в термометрі, залежно від температури. Скляні термометри за конструкцією бувають палочні та з вкладеною шкалою (Рис.).

 

Таблиця 

Типи засобів вимірювання температур і межі їх застосувань

Тип засобів вимірювання

Різновид засобів вимірювання

Межі застосувань, ºС

нижня

верхня

Температури розширення

рідинні скляні

-200

600

манометричні

-200

1000

Температури опору

металеві (провідникові)

-260

1100

напівпровідникові

-272

600

Геометричні термометри

-200

2200

Пірометри

квазімонохроматичні

700

6000

спектрального відношення

300

2800

повного випромінювання

-50

3500

Рис. 1. Скляні рідинні термометри:

а) - з вкладеною шкалою; б) технічні кутові, в) палочні

 

Допустима похибка технічних термометрів не повинна перевищувати ціни поділки шкали.

Принцип дії манометричних термометрів оснований на залежності тиску термометричної речовини в герметично замкненому об'ємі від температури (мал.1.2).

Рис 2. Манометричний термометр.

 

 

Рис.3. Термометр опору

 

Принцип дії термометрів опору базується на здатності різних матеріалів (в першу чергу металів) змінювати свій електричний опір із зміною температури. Чутливий елемент металевого термометра опору складається з дроту чи смужки, намотаної на каркас із скла, кварцу, кераміки, слюди чи пластмаси. Від чутливого елемента йдуть провідники до затискачів головки термометра, які з’єднані дротами з вимірювальним приладом і джерелом струму (мал. 1.3). Вимірювання тиску, витрат і рівня

Одиницею вимірювання тиску в системі СІ є Паскаль (Па), який дорівнює тиску, створеному силою в один Ньютон, діючий на площу один квадратний метр (H/м2). У табл. наведені можливі одиниці використання тисків і співвідношення між ними.

 

Таблиця.  Одиниці вимірювання тиску

Одиниця

Па

Бар

кг/см2

мм.вод.ст.; кг/м2

мм.рт.ст.

1 Па

1

10-5

1,02·10-5

0,102

7,5·10-3

1 Бар

105

1

1,02

1,02·104

750·06

1 кг/см2

9,8·104

0,98

1

104

735·56

1мм.вод.ст.; кг/м2

9,8

0,98·10-4

10-4

1

7,356·10-8

1 мм.рт.ст.

133,32

1,33·10-3

1,3595·10-3

13,595

1

 

Залежно від принципу дії, засоби вимірювання тиску розділяють на рідинні, деформаційні, грузопоршневі, електричні, іонізаційні і теплові. На рис. 5 представлені рідинний двотрубний манометр (а) і трубчасто-пружинний показуючий (б).

 

Рис. 5. Схеми манометрів

Найбільше розповсюдження отримали слідуючи прилади для вимірювання витрат речовини змінного: перепаду тисків з звужуючим пристроєм (відносяться до загальної групи витратомірів); сталого перепаду тисків (відносяться до загальної групи витратомірів обтікання); тахометричні; електромагнітні; ультразвукові.

Вимірювання рівнів рідин грає роль при автоматизації технологічних процесів. Залежно від умов вимірювання, характеру контролюючого середовища використовуються різні методи відповідно, прилади для вимірювання рівня – рівнеміри з візуальним відрахунком, гідростатичні рівнеміри, поплавкові, буйкові, ємкісні рівнеміри.

 

Порядок виконання роботи

У відповідності до лекційного матеріалу та теоретичних відомостей виконати завдання. Зробити висновки.

Завдання. За дпомогою приладів у лабораторіїї провести випробування з необхідною кількістю повторювань

досліда

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Вологість

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Температура

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Маса

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тиск

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кіслотність

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Довжина

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сформувалювати висновки.

 

Запитання для самоперевірки

1.            Види технічних засобів вимірювання, їх особливості.

2.            Що таке метрологічні характеристики технічних засобів вимірювання?

3.            Який порядок статистичної обробки результатів вимірювання?

4.            Які технічні засоби використовуються для вимірювання маси, температури, вологості?