Метрология, стандартизация и сертификация

Глава 1 Метрология

§1 Объект и предмет метрологии

Метрология (от греч. «metron»– мера, «logos» – учение) – это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения единства измерений и методах и средствах обеспечения их требуемой точности.

Любая наука является состоявшейся, если она имеет свой объект, предмет и методы исследования. Предмет любой науки отвечает на вопрос ЧТО ей изучается.

Предметом метрологии является измерение свойств объектов (длины, массы, плотности и т.д.) и процессов (скорость протекания, интенсивность протекания и др.) с заданной точностью и достоверностью.

Объектом метрологии является физическая величина. (Понятие «физическая величина» будет рассмотрено в теме «Основные понятия и определения метрологии»). Объект науки может быть общим для ряда других наук.

Метрологию разделяют на три основных раздела: «Теоретическая метрология», «Прикладная (практическая) метрология» и «Законодательная метрология». Важнейшей задачей метрологии является обеспечение единства измерений. Понятие «единство измерений» будет рассмотрено в следующем параграфе.

§2 Основные понятия и определения метрологии

Мера – это средство измерения, предназначенное для воспроизведения ф.в. заданного размера.

Физическая величина – это одно из свойств физического объекта, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого физического объекта.

Физические величины делятся на измеряемые и оцениваемые.

Измеряемые физические величины могут быть выражены количественно в установленных единицах измерения (единицах физической величины).

Оцениваемые физические величины это величины, для которых единицы измерений не могут быть введены. Их определяют при помощи установленных шкал.

Физические величины классифицируются по следующим видам явлений:

а) вещественные – они описывают физические и физико-химические свойства веществ, материалов и изделий из них;

б) энергетические – описывают энергетические характеристики процессов преобразования, передачи и поглощение (использование) энергии;

в) физические величины, характеризующие протекание процессов во времени. Единицей физической величины – называют физическую величину фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение равное единице, и которое применяется для количественного выражения однородных с ней физических

Различают основные и производные единицы физических величин. Для некоторых физических величин единицы устанавливаются произвольно, такие единицы физических величин называют основными. Производные единицы физических величин получают по формулам из основных единиц физических величин.

Система единиц физических величин – это совокупность основных и произ-

водных единиц физических величин, относящихся к некоторой системе величин. Так, в международной системе единиц СИ (Система Интернациональная) при-

нято семь основных единиц физических величин: единица времени – секунда (с), единица длины – метр (м), массы – килограмм (кг), единица силы электрического тока – ампер (А), термодинамической температуры – кельвин (К), силы света – кандела (кд) и единица количества вещества – моль (моль).

Эталон единицы физической величины – это средство измерения, предназна-

ченное для хранения и воспроизведения единицы физической величины с целью её передачи другим средствам измерений данной величины.

Понятие единство измерений характеризует состояние измерений, когда их результаты выражены в узаконенных единицах, а погрешности известны и не выходят за установленные пределы с заданной вероятностью.

Погрешность измерения – это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

§2.1 Классификация погрешностей измерения

Погрешности классифицируются по следующим признакам: 1 По форме числового выражения а) абсолютные; б) относительные.

Например, вагон массой 50т измерен с абсолютной погрешностью ±50 кг, а в относительном выражении эта погрешность составит 0,1%.

2 По источникам возникновения а) инструментальные (обусловленные свойствами средств измерения твердо-

сти, геометрических параметров и т.д.); б) методические погрешности, возникающие в результате несовершенства

принятого метода измерений, при использовании эмпирических зависимостей (формула получена на основе эксперимента) и т.д.;

в) субъективные – погрешности оператора. 3 По характеру проявления

а) систематическая – такая погрешность в процессе измерения одной и той же ф.в. остается постоянной или изменяется по определенному закону при одинаковых условиях измерения, т.е. не меняются внешние условия измерения (температура, давление, влажность, уровень вибраций и др.), оператор, класс точности измерительного прибора, цена деления измерительного прибора;

– постоянная (присутствует все время на протяжении измерений);

– временная;

б) случайная – это погрешность, которая изменяется случайным образом при повторном измерении одной и той же величины в одних и тех же условиях. Случай-

ные погрешности, в отличие от систематических, изменяются хаотично по неизвестному закону.

§2.2 Эталоны единиц физических величин

Эталоны физических величин – это средство измерения, предназначенное для воспроизведения и хранения физической величины с целью ее передачи другим средствам измерения данной величины.

Все эталоны делятся на два больших вида:

1 Государственный первичный эталон. Он утвержден в качестве исходного для всей страны.

2 Вторичные эталоны, которые делятся на четыре группы:

А) Эталоны – свидетели. Они предназначены для замены государственного первичного эталона в случае его порчи или утраты.

Б) Эталоны – сравнения. Служат для сличения эталонов, которые по какимлибо причинам не могут непосредственно сличаться друг с другом.

В) Эталоны – копии. Используются для передачи размеров к рабочим этало-

Г) Рабочие эталоны. Применяются для контроля качества продукции, а также для поверки рабочих средств измерения.

§3 Измерение физических величин

Измерение – это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Истинное значение физической величины – это значение, идеально отражаю-

щее соответствующее свойство объекта, как в количественном, так и в качественном отношениях.

Действительное значение физической величины – это значение, найденное опытным путём и настолько приближенное к истинному, что для данной цели может быть принято вместо него.

Измеренное значение физической величины – это значение, полученное при из-

мерении с применением конкретных методов и средств измерений. Свойства измерений:

а) точность – это свойство измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины;

б) правильность – это свойство измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в их результатах. Результаты измерений правильны, когда они не искажены систематическими погрешностями;

в) сходимость – это свойство измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях одним и тем же средством измерения одним и тем же оператором. Сходимость – важное качество для методики измерений;

г) воспроизводимость – это свойство измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений выполняемых в разных условиях, т.е. в разное время, в

разных местах, разными методами и средствами измерений. Воспроизводимость – важное качество при испытаниях готовой продукции.

§3.1 Классификация измерений

Измерения классифицируются по следующим признакам: 1 По физической сущности измеряемой величины 2 По характеристике точности

А) Равноточные измерения – это ряд измерений какой-либо физической величины выполненных при одинаковых условиях (одно и тоже средство измерения, параметры среды, один и тот же оператор и т.д.)

Б) Неравноточные измерения – это ряд измерений какой-либо физической величины выполненных либо разными по точности приборами, либо при разных условиях измерения.

3 По числу измерений А) Однократные измерения

Б) Многократные измерения – измерения одной и той же физической величины результат, которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений.

4 По изменению измеряемой величины во времени А) Статические

Б) Динамические (при которых измеряемая величина изменяется во времени) 5 По метрологическому назначению А) Технические Б) Метрологические

6 По выражению результатов измерения А) Абсолютные – измеряемые в кг., м., Н и т.д.

Б) Относительные – измеряемые в долях или процентах.

7 По способу получения числового значения физической величины А) Прямые – это измерения, при которых искомое значение физической вели-

чины получают непосредственно.

Б) Косвенные – это измерения, при которых искомое значение физической величины получают на основании прямых измерений других физических величин.

В) Совместные измерения – одновременное измерение двух или нескольких не одноименных ФВ для определения зависимости между ними.

Г) Совокупные – это одновременное измерение нескольких одноименных физических величин, а искомое значение величин находят путем решения системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

§3.2 Методы измерения физических величин

Метод измерений – это приём или совокупность приёмов сравнения измеряемой физической величины с её единицей в соответствие с реализованным принципом измерений. Методы измерений определяются видом измеряемых величин, их размерами, требуемой точностью результата, требуемой быстротой процесса изме-

рения и прочими данными. В предыдущей теме перечислялись виды измерений по способу получения числового значения. Наибольшее распространение, на практике, получили прямые измерения из-за их простоты и скорости исполнения.

Прямые измерения можно производить следующим методами, которые можно разделить на две основных группы:

1 Метод непосредственной оценки – значение величины определяют непосредственно по отсчётному устройству мерительного прибора (силу тока по амперметру, массы – по циферблатным весам и т.д.).

2 Метод сравнения с мерой – измеряемую величину сравнивают с величиной воспроизводимой мерой (измерение массы рычажными весами с уравновешиванием гирями).

А) Дифференциальный метод – метод сравнения с мерой, при котором на измерительный прибор действует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой (измерения, выполняемые при проверке мер длины сравнением с образцовой мерой на компараторе).

Б) Нулевой метод – метод сравнения с мерой, когда результирующий эффект воздействия на прибор сравнения доводят до нуля (измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием).

В) Метод совпадений – метод сравнения с мерой, при котором разность между измеряемой величиной и величиной воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал прибора (измерение линейных размеров с помощью штангенциркуля).

Г) Метод замещения – метод сравнения с мерой, когда измеряемую величину замещают известной величиной воспроизводимой мерой (взвешивание с поочерёдным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашу весов).

§3.3 Понятие о средстве измерений

Средство измерений – это техническое средство или комплекс средств, предназначенное для измерений. Оно имеет нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие или хранящие единицу физической величины.

Средство измерений должно реализовывать одну из следующих функций:

– воспроизводить величину заданного размера;

– вырабатывать сигнал, несущий информацию о значении измеряемой величи-

Такие сигналы могут любо непосредственно восприниматься органами чувств человека, либо проходить через вспомогательные (преобразующие приборы для этого).

Все средства измерений можно классифицировать по двум основным призна-

1 По метрологическому назначению средства измерения делятся на:

а) Рабочие средства измерения – применяются для проведения технических измерений.

– лабораторные (используются при научных исследованиях, при проектировании технических устройств, а также для проведения медицинских измерений);

– производственные (используются для контроля качества продукции на производстве и для контроля технологического процесса производства);

– полевые (используются непосредственно на всех видах транспорта).

б) Эталоны 2) По конструктивному исполнению средства измерения делятся на:

а) меры физической величины – это средства измерения, предназначенные для хранения и воспроизведения единицы физической величины

б) измерительные приборы – это средство измерения, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в заданных пределах. Прибор, как правило, содержит устройство для преобразования измерительной величины, а также индикацию в наиболее доступной для восприятия форме.

в) измерительные преобразователи – это средства измерений, предназначенные для преобразования измерений физической величины в другую величину удобную для переработки, хранения и, при необходимости, дальнейшего преобразования г) измерительная установка – это комплекс функционально объединенных мер, измерительных преобразователей, измерительных приборов и других устройств, предназначенных для измерения одной или нескольких физических величин. Как правило, этот комплекс располагается в одном месте, например испытательный

д) измерительная система – это совокупность функционально объединенных измерительных приборов, мер, измерительных преобразователей и других технических средств, размещенных в различных точках контролируемого пространства и предназначенных для измерения одной или нескольких физических величин

§3.4 Метрологические характеристики средств измерений и контроля

Эта характеристика одного из средств измерения влияющая на результат и его погрешность.

Рассмотрим наиболее часто встречающиеся метрологические характеристики средств измерений и контроля:

Цена деления шкалы прибора – это разность величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Она всегда указывается на шкале прибора.

Длина деления шкалы прибора – это фактическое расстояние между осями (центрами) соседних отметок шкалы прибора.

Начальное и конечное значение шкалы – наименьшее и наибольшее значение измеряемой величины, которые могут быть отсчитаны по шкале данного средства измерения.

Диапазон показаний средства измерений – это область значений шкалы прибо-

ра, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы. Существуют средства измерения, начальное значение которых не равно нулю (например, микрометрический нутромер).

Измерительное усилие – это усилие, возникающее в зоне контакта измерительного наконечника прибора с измеряемой поверхностью.

Перепад измерительного усилия – разность измерительного усилия при двух положениях указателя в пределах диапазона показаний.

Чувствительность – это способность средства измерения реагировать на изменения измеряемой величины. Определяется как отношение изменения выходного сигнала средств измерения к вызывающему его изменению измеряемой величины.

Порог чувствительности средств измерения – то наименьшее значение изме-

нения физической величины, с которого возможно начать измерение этой величины данным средством измерения.

Вариация показаний измерительного прибора – это разность показаний прибо-

ра в одной и той же точке диапазона показаний при плавном подходе к этой точке показывающего элемента (стрелки) со стороны больших и меньших значений измеряемой величины.

§4 Правовые основы метрологии

Главным законодательным актом, обеспечивающим единство измерений, является Закон РФ «Об обеспечении единства измерений». Этот Закон направлен на защиту прав граждан и их интересов, а также на защиту интересов экономики страны от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений.

Единство измерений – характеристика качества измерений. Она заключается в том, что результаты измерений выражаются в установленных единицах, чьи размеры равны размерам воспроизводимых величин (с учетом погрешностей).

Закон определяет:

1) Основные метрологические понятия

2) Компетенцию Госстандарта России в обеспечении единства измерений

3) Единицы ФВ, государственные эталоны, средства и методики измерений

4) Компетенцию и структуру государственной метрологической службы

5) Метрологические службы государственных органов управления предприятий и организаций

6) Сферы распространения и виды государственного метрологического контроля и надзора

7) Права, обязанности и ответственность государственных инспекторов по обеспечению единства измерений

8) Закон определяет условия испытаний средств измерения

9) Требования к выполнению измерений по аттестованным методикам

10) Основные положения калибровки и сертификации средств измерения

11) Лицензирование деятельности организаций и физических лиц по изготовлению, ремонту, продаже и прокату средств измерений

12) Источники финансирования работ по обеспечению единства измерений

13) Ответственность за нарушение положений этого закона

Кроме того, законом об «Обеспечении единства измерений» определяются сферы деятельности, в которых соблюдение метрологических требований, обязательно и на которые распространяется государственный метрологический надзор:

– здравоохранение, ветеринария, охрана окружающей среды и обеспечение безопасности труда

– испытания и контроль качества продукции с целью определения соответствия обязательным требованием государственного стандарта РФ

– обеспечение обороны страны

– на обязательную сертификацию продукции и услуг

– на торговые операции и взаимные расчеты между покупателем и продавцом,

в том числе на операции с применением игровых автоматов

– государственные учетные операции

– измерения, проводимые по поручениям органов суда, прокуратуры и государственных органов управления РФ

– на продукцию, поставляемую по контрактам для государственных нужд

– на геодезические и гидрометрические измерения

– на банковские, налоговые, таможенные и почтовые операции

– на регистрацию национальных и международных рекордов

Государственная система обеспечения единства измерений состоит из нормативных документов устанавливающих правила и требования на достижение и поддержание единства измерений в РФ при требуемой точности.

§5 Метрологические службы, обеспечивающие единство измерений

Государственная метрологическая служба несет ответственность за метроло-

гическое обеспечение в стране на межотраслевом уровне и осуществляет государственный контроль и надзор в определенных законом сферах.

В состав государственной метрологической службы входят:

1 Государственные научные метрологические центры – органы государствен-

ной метрологической службы на территориях республик, областей, автономных округов, автономных областей, а также государственные метрологические службы городов Москвы и Санкт-Петербурга.

Государственные научные метрологические центры являются хранителями государственных эталонов. Они проводят исследования в области теории измерений, а также в области применения принципов и методов высокоточных измерений; занимаются разработкой научно-методических основ совершенствования Российской системы измерений; разрабатывают нормативные документы по обеспечению единства измерений.

2 Государственная служба времени, частоты и определения параметров вра-

щения Земли.

Государственная служба времени, частоты занимается межрегиональной и межотраслевой координацией работ по обеспечению единства измерений времени и частот, а также по определению параметров частот вращения Земли. Также она занимается хранением и передачей размеров единиц времени, шкал атомного всемирного и координатного времени, координат полюсов Земли. Измерительную информацию этой службы используют службы навигации и управления судами, самолетами и спутниками, а также единая измерительная служба России.

3 Государственная служба стандартных образцов состава и свойств ве- ществ и материалов

Государственная служба стандартных образцов состава и свойств веществ и материала организует создание и применение эталонных образцов состава и свойств веществ и материалов (металлов, сплавов, медицинских продуктов, мине-

рального сырья, почв и т.д.). Служба также разрабатывает средства сравнения стандартных образцов с характеристиками веществ и материалов, которые производятся промышленными, сельскохозяйственными и др. предприятиями для их идентификации и контроля.

4 Государственная служба стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов

Государственная служба стандартных справочных данных о физических кон- стантах и свойствах веществ и материалов обеспечивает разработку достоверных данных о физических константах, о свойствах веществ и материалах, а также о свойствах минерального сырья. Потребителями такой информации являются организации создающие новую технику к точности характеристик, которой предъявляют особо высокое требование.

§6 Передача размеров единиц физических величин

Передача размеров единиц физических величин – это приведение размеров еди-

ницы физической величины хранимой поверяемым средством измерения к размеру единицы ф.в., хранимой и воспроизводимой эталоном, осуществляемое при их поверке или калибровке. Размер передаётся от более точных средств измерений к менее точным.

Суть поверки и калибровки средств измерений заключается в нахождении погрешности средства измерения и установлении его пригодности к использованию.

Поверка средств измерений – это совокупность операций выполняемых государственной метрологической службой с целью определения и подтверждения соответствия средств измерений установленным техническим требованиям. Поверка носит обязательный характер, и проводиться в отношении средств измерений, которые применяются в установленных законом сферах (здравоохранение, охрана окружающей среды, обеспечение обороноспособности страны и т.д.)

Калибровка средств измерений – это комплекс операций осуществляемых с целью определения и подтверждения действительных характеристик средств измерения и пригодности к применению этих средств измерений (неподлежащие государственному контролю и надзору). Калибровка носит добровольный характер.

Сопоставление государственного эталона, вторичного эталона и рабочих средств измерений определено государственной поверочной схемой.

Поверочная схема – документ, устанавливающий средства (с помощью чего), методы (каким образом) и точность передачи размеров единиц от государственного эталона к рабочим средствам измерения.

Виды поверок средств измерения

В РФ применяются следующие виды поверки средств измерения:

а) первичная поверка, ей подлежат средства измерений при выпуске из производства после ремонта, а также средства измерений ввозимые по импорту.

б) периодическая поверка, такой поверке подлежат средства измерения находящиеся в эксплуатации или на хранении.

в) внеочередная поверка, осуществляется при эксплуатации и хранении в сле-

дующих случаях:

– повреждение поверительного клейма;

– утрата свидетельства о поверке;

– ввод в эксплуатацию средства измерения, длительное время находящегося на хранении (длительность определяется государственной метрологической службой);

– неудовлетворительная работа прибора.

г) инспекционная поверка, ее проводят для подтверждения пригодности к применению средств измерений. При проведении государственного метрологического надзора.

д) экспертная поверка, производиться при возникновении спорных вопросов по метрологическим характеристикам средств измерений, их исправности и пригодности к применению.

§7 Государственный метрологический контроль и надзор за средствами изме-

Государственный метрологический контроль и надзор – это деятельность,

осуществляемая органами государственной метрологической службы по проверке юридических лиц на соответствие Закону «Об обеспечении единства измерений» и требованиям государственных стандартов и другим нормативным документам в области метрологии.

Государственный метрологический контроль осуществляется путем:

– калибровки средств измерений

– надзор за состоянием и применением средств измерений, за выполнением методик измерений и контроль мер применяемых при калибровке (контроль эталонов)

– выдача обязательных предписаний с целью устранения нарушений метрологических правил и норм

– проверка своевременности представления средств измерений на испытания для утверждения типа средств измерений, а также на поверку или калибровку

Государственный метрологический контроль включает:

1 Утверждение типа средств измерений необходимо для постановки на про-

изводство и выпусков в обращение новых типов средств измерений или при их ввозе по импорту. Процедура утверждения типа предусматривает обязательные испытания средств измерений. Принятие решения об утверждении типа, ее государственную регистрацию и выдачу сертификата об утверждении типа средства измерения. На средство измерения утвержденного типа наноситься специальное клеймо.

2 Поверка средств измерения, в том числе эталонов осуществляется органами государственного метрологического контроля и надзора РФ. В отличие от процедуры утверждения типа средства измерения, в котором участвует только одно средство измерения представляющее тип, поверке подлежит каждое средство измерения.

3 Согласно закону об обеспечении единства измерений деятельность по изготовлению, ремонту, продаже и прокату средств измерений должна подвергаться ли- цензированию органами государственной метрологической службы.

Лицензия – это документально оформленное решение, выдаваемое органами

Литература: 1. Метрология и стандартизация: курс лекций для студентов. Автор О. Г. Широков-Гомель: ГГТУ им. П. О. Сухого, 2005 г- 77 с. 2. Бурдун Г. Д. , Марков Б. Н. Основы метрологии: Учеб. пособие: — 3 -е изд. М. : -Изд. стандартов, 1984. 3. Тюрин Н. И. Введение в метрологию: Учеб. пособие: — 3 -е изд. М. : — Изд. стандартов, 1985. 4. Шишкин И. Ф. Метрология, стандартизация и управление качеством: Учеб. для ВУЗов _ М. : Изд. стандартов, 1990. — 342 с. 5. Рудзит Я. А. , Плуталов В. Н. Основы метрологии, точность и надежность в приборостроении. 6. ГОСТ 16263 -70. Метрология. Термины и определения. -М. : Издательство стандартов, 1970. 7. Практическое руководство к лаб. работам по курсу “Метрология и стандартизация” — Гомель: ГПИ, м/ук. № 2261, 1998. 32 с. 8. ГОСТ 8. 009 -84 Нормируемые метрологические характеристики средств измерений. -М. : Издательство стандартов, 1984. 9. СТБ-96 Государственная система стандартизации Республики Беларусь. 10. МИ 2247 -93. ГСИ. Метрология. Основные термины и определения.

1. 1. Определение метрологии Первоначально метрология возникла как наука о различных мерах и соотношениях между ними. Общепринятое определение метрологии дано в ГОСТ 16263 -70 «ГСИ. Метрология. Термины и определения»: метрология — наука об измерениях, методах, средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Из истории метрологии На Руси основными единицами длины были пядь и локоть, причем пядь служила основной древнерусской мерой длины и означала расстояние между концами большого и указательного пальца взрослого человека. Позднее, когда появилась другая единица – аршин, пядь (1/4 аршина) постепенно вышла из употребления. С XVIII в. в России стали применять дюйм, заимствованный из Англии (называется он «палец»), а также английский фут. Особой русской мерой была сажень, равная трем локтям (около 152 см), и косая сажень (около 248 см). Указом Петра I русские меры длины были согласованы с английскими, и, это по существу – первая ступень гармонизации российской метрологии с европейской. Метрическая система мер была введена во Франции в 1840 г.

Из истории метрологии Большую роль в становлении метрологии в России сыграл Д. И. Менделеев, руководивший отечественной метрологией в период с 1892 по 1907 г. «Наука начинается… с тех пор, как начинают измерять» , — в этом научном кредо выражен, важнейший принцип развития науки, который не утратил актуальности в современных условиях. В 1893 году в России под руководством Д. И. Менделеева была создана Главная палата мер и весов. В годы Советской власти (1931 г.) в Ленинграде на базе Главной палаты мер и весов был создан Всесоюзный научно-исследовательских институт метрологии им. Д. И. Менделеева.

Из истории метрологии В 1960 году была принята Международная система единиц СИ и определена величина метра как длины, равной 1650763, 73 длина волны излучения в вакууме (криптоновый эталон метра). В 1988 г. на международном уровне были приняты новые константы в области измерений электрических единиц и величин, а в 1989 г. принята новая Международная практическая температурная шкала МТШ-90. В 1993 году был принят закон РФ «Об обеспечении единства измерений» , в котором определены основные понятия на базе официальной терминологии Международной организации законодательной метрологии (МОЗМ). Закон направлен на защиту прав и интересов граждан, определенного правопорядка и экономии РФ от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений.

Метрология делится на три самостоятельных и взаимно дополняющих раздела, основным из которых является «Теоретическая метрология». В нем излагаются общие вопросы теории измерений. Раздел «Прикладная метрология» посвящен изучению вопросов практического применения в различных сферах деятельности результатов теоретических исследований. В заключительном разделе «Законодательная метрология» рассматриваются комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, требований и норм, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений (СИ).

Основное понятие метрологии - измерение Согласно ГОСТ 16263 -70, измерение - это нахождение значения физической величины (ФВ) опытным путем с помощью специальных технических средств. Значимость измерений выражается в трех аспектах: философском, научном и техническом.

Философский аспект состоит в том, что измерения являются важнейшим универсальным методом познания физических явлений и процессов. Метрология как наука об измерениях занимает особое место среди остальных наук. Возможность измерения обуславливается предварительным изучением заданного свойства объекта измерений, построением абстрактных моделей как самого свойства, так и его носителя - объекта измерения в целом. Поэтому место измерения определяется не среди первичных (теоретических или эмпирических) методов познания, а среди вторичных (квантитативных), обеспечивающих достоверность измерения.

С помощью вторичных познавательных процедур решаются задачи формирования данных (фиксации результатов познания). Измерение с этой точки зрения представляет собой метод кодирования сведений, получаемых с помощью различных методов познания, т. е. заключительную стадию процесса познания, связанную с регистрацией получаемой информации.

Научный, аспект измерений состоит в том, что с их помощью в науке осуществляется связь теории и практики. Без измерений невозможна проверка научных гипотез и соответственно развитие науки. Измерения обеспечивают получение количественной информации об объекте управления или контроля, без которой невозможно точное воспроизведение всех заданных условий технического процесса, обеспечение высокого качества изделий и эффективного управления объектом. Все это составляет технический аспект измерений

Одна из основных задач метрологии — обеспечение необходимой точности и достоверности измерительной информации. В народном хозяйстве применяют лишь те средства измерений, которые гарантируют их результаты. Результаты измерений — знания о состоянии объекта и свойствах явлений. Чем точнее эти знания, тем правильнее вывод и принимаемые решения, тем меньше вероятность ошибок и появления дефектов.

2 Связь метрологии, стандартизации и сертификации Со стороны государства регламентируются многие нормы, требования и правила, используемые в процессе измерений для обеспечения единства измерений в стране. Метрология органически связана со стандартизацией. Эта связь выражается, прежде всего, в стандартизации единства измерений, системе государственных эталонов, системе средств измерений и методов поверок, в создании стандартных образцов свойств и состава веществ.

Необходимость стандартизации методик выполнения измерений обусловлена тем, что погрешности результатов измерений определяются не только погрешностью применяемых средств измерений, но и применяемыми методами измерений, внешними условиями, в которых измерения выполняются, способами обработки результатов измерений и др. Часто оказывается, что погрешности средств измерений составляют весьма малую долю погрешности результата измерений. Стандартизация опирается на метрологию, обеспечивающую правильность и сопоставимость результатов испытаний материалов и изделий, а также заимствует из метрологии методы определения и контроля качества.

Объективность испытаний, достоверность и точность получаемых результатов во многом определяется техническим уровнем измерительной техники, ее автоматизацией. Учитывая высокую стоимость контрольных проверок и испытаний, эффективным выходом из этого положения становится взаимное признание результатов испытаний. Это означает, что страна-импортер, опираясь на знание действующих НТД, установленного порядка испытаний, наличия необходимых приборов и испытательного оборудования страны-экспортера признает результаты, проведенных экспортером испытаний изделия и не проводит повторных испытаний изделия у себя в стране. Высшим уровнем такого признания является сертификация. Сертификация – это действие, проводимое с целью подтверждения, посредством сертификата соответствия или знака соответствия того, что изделие или услуга соответствуют определенным стандартам или техническим условиям.

4. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ В МЕТРОЛОГИИ ГОСТ 16263 -70 «ГСИ. Метрология. Термины и определения». В Государственной системе измерений есть стандартное определение измерения: измерение - это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Для осуществления измерений необходимо воспроизвести единицу физической величины, сравнить с ней измеряемое значение, зафиксировать результаты сравнения и оценить погрешности измерения. Характерные черты процесса измерения можно представить в виде идеализированной блок-схемы. Измерительная система Х – измеряемая величина Х N – мера Х а – показание. Градуировка. Процесс Измерительное устройство. Измерительное устройство Выходная величина

Блок-схема поясняет аспект восприятия и отображения информации о физической величине. Присущий измерению процесс нормирования, т. е. присвоения отображаемой физической величине определенного числового значения, представлен вводимой в измерительное устройство информацией о мере (эталоне) физической величины. Информация об измеряемой величине преобразуется измерительным устройством в показания. Диапазон показаний – область значений измеряемой величины, в которой они могут быть отсчитаны на показывающем измерительном приборе между начальным и конечным значением шкалы.

Предел измерений – часть диапазона показаний, в которой погрешности находятся в предписанных пределах. Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, заключенной между верхним и нижним пределом измерений. Измеренное значение – значение физической величины, определяемое по показанию средства измерения. Выражается в виде произведения числового значения и единицы измерения физической величины. Средства измерений – технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства, т. е. свойства, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений. Результат измерения – значение величины, найденное путем ее измерения. В общем случае получают из многих измеренных значений по известным соотношениям.

По способу получения результата измерений измерения разделяют на прямые, косвенные, совокупные и совместные Прямое измерение – это измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. Например, измерение массы на циферблатных весах, длины микрометром, температуры термометром, электрического напряжения вольтметром. При прямых измерениях измеряемую физическую величину сравнивают непосредственно с мерой или преобразуют в другую физическую величину, которую также сравнивают с мерой. В качестве меры здесь обычно выступает шкала прибора. Косвенное измерение – это измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Если измеряемая величина Q связана с другими величинами X 1, Х 2, . . . , Х n , уравнением Q = f (X 1, Х 2, . . . , Х n), то величину Q вычисляют по указанному уравнению между величинами.

Совокупные измерения – это проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Например, необходимо определить размеры физических величин X 1, Х 2, . . . , Х 3, но мы не имеем устройства, которое дало бы возможность измерить непосредственно указанные величины, а располагаем устройствами, позволяющими определить суммы любых двух из указанных величин. Тогда, измеряя сочетания величин, получим следующие уравнения: X 1 + X 2 = а; X 1 + X 3 = b ; Х 2 + X 3 = с, где а, b , с – результаты измерения соответствующих пар размеров величины. Искомые величины X 1, X 2 и X 3 легко определяются решением указанных уравнений. Таким образом, можно определить массы гирь набора при известной массе по результатам сравнения масс различных сочетаний гирь. Совместные измерения – это проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними. Например, для определения температурного коэффициента линейного расширения измеряют температуру и длину нагретого до разных температур стержня.

По способу выражения результатов различают абсолютные и относительные измерения Абсолютное измерение — это измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании физических констант. Примером абсолютных измерений может служить измерение длины рулеткой, измерение силы с помощью мер массы и константы земного ускорения. Относительным измерением называется измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную. Например, при измерении частоты на осциллографе путем сравнения с некоторой известной частотой, наблюдают интерференционные фигуры (фигуры Лиссажу), которые идентифицируются в зависимости от отношения частот.

По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения разделяют на: статические – при которых измеряемая величина остается постоянной во времени; динамические – в процессе которых измеряемая величина изменяется. К статическим относятся измерения геометрических размеров тела, измерения постоянного давления. К динамическим — измерения пульсирующих давлений, вибрации.

Однократные измерения – измерения, выполняемые один раз. Многократные измерения – измерения одной и той же физической величины, результат которых получают из нескольких следующих друг за другом измерений. Обычно многократными считаются измерения проводимые свыше трех раз. Технические измерения – измерения, выполняемые при помощи рабочих средств измерений с целью контроля и управления научными экспериментами, контроля параметров изделия. Метрологические измерения – измерения при помощи эталонов и образцовых средств измерений с целью нововведения единиц физических величин или передачи их размеров рабочим средствам измерений. Равноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях. Неравноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных различными по точности средствами измерений и в разных условиях.

Основные характеристики измерений Принцип измерений – это физическое явление или совокупность физических явлений, на которых основаны измерения. Например, при измерении массы путем взвешивания на равноплечих весах используются следующие физические явления: сила притяжения к земле прямо пропорциональна массе, равные массы имеют равные силы тяжести и на равноплечих весах моменты сил будут равны, а весы уравновешены в устойчивом положении. Локационные измерения длин основаны на измерении времени от момента подачи сигнала до момента возвращения отраженного сигнала при известной скорости распространения сигнала в данной среде. Измерение расхода газа или жидкости по перепаду давления в сужающем устройстве основано на зависимости перепада давления от скорости потока. Метод измерений - это совокупность приемов использования принципов и средств измерения.

Классификация методов измерения Методы непосредственной оценки Методы сравнения. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ Дифференциальный Замещения Нулевой Совпадений

Погрешность измерения – отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Абсолютная погрешность измерения – погрешность, выраженная в единицах измеряемой величины: Δ х = х – А. Относительная погрешность измерения (%) – отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины: dx = Δ x / A. Относительная погрешность не может служить показателем точности измерений, так как она может существенно изменяться в зависимости от значения измеряемой величины. Для нормирования погрешности средств измерений используется понятие приведенной погрешности, которое определяется как: γ пр = Δ x / A n , где A n – нормируемое значение (для большинства приборов это максимальное значение шкалы

Распределение полосы погрешностей средств измерений Если нанести на график экспериментальную зависимость выходного сигнала у от входного х, то полученные точки в координатах х — у разместятся в пределах некоторой полосы. При неизменном положении полосы погрешностей от значения х диапазон разброса значений погрешностей имеет постоянное значение в виде Δ х = ± Δ х 0. Такая погрешность получила название аддитивной (рис. а). В том случае, если ширина диапазона погрешностей возрастает с увеличением входного сигнала х, такая погрешность носит название мультипликативной (рис. б). Когда свой вклад в распределение полосы погрешностей вносят как аддитивная, так и мультипликативная составляющие, распределение полосы погрешностей имеет трапецеидальную форму (рис. в).

Пример 1 Шкала прибора 0. 300 В: прибор показывает 220 В. На шкале прибора нанесено 0. 5 – допускаемая приведенная погрешность в % Определить величину погрешности измерений. Пример 2 Шкала прибора 0. 300 В. Прибор показывает 220 В 0. 5 На шкале прибора нанесено – тогда относительная погрешность Определить величину погрешности измерений. %5. 0 B Un 5. 1 100 300*5. 0 100 * 0. 5 75. 0 200 300 5. 0 В Uи 5. 1 100 200*75. 0 100 *

Абсолютные аддитивные погрешности не зависят от измеряемой величины X , а мультипликативные прямо пропорциональны значению X. Источники аддитивной погрешности – трение в опорах, неточность отсчета, вибрации. Причинами мультипликативной погрешности являются влияние внешних факторов и старение элементов и узлов приборов. Когда свой вклад в распределение полосы погрешности вносит как аддитивная, так и мультипликативная составляющие, распределение полос погрешностей имеет трапециидальную форму. | Δmax | = | а | + | вх | , где а – предельное значение аддитивной погрешности, В х – предельное значение мультипликативной погрешности.

Сходимость измерений – это качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях. Повторение измерений приводит к различным результатам наблюдений, распределение которых может быть оценено статистическими методами. Результаты измерения, вероятностные законы, распределения которых известны, называют достоверными. Результаты измерения, достоверность которых неизвестна, т. е. неизвестны предельные погрешности с заданной вероятностью, не представляют ценности и в ряде случаев могут быть источником дезинформации и принести ущерб. Единство измерений - это такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Единство измерений позволяет обеспечить воспроизводимость измерений, т. е. близость друг к другу измерений, выполняемых в различных условиях (в различное время, в разных местах, неодинаковыми методами и средствами). Это особенно важно в настоящее время, когда специализация и кооперация производства осуществляется не только в рамках одной страны, но и в международном масштабе. Без обеспечения единства измерений невозможно успешное развитие науки на основе обмена идеями и результатами. Единство измерений позволяет сопоставить результаты измерений, выполненные с использованием различных методов и средств измерений в различных местах и в разное время.

Единство измерений обеспечивается единообразием средств измерений и правильной методикой выполнения измерений. Мероприятия по обеспечению единства и требуемой точности измерений установлены законодательно. Единообразие средств измерений - это такое их состояние, когда все они проградуированы в узаконенных единицах, а их метрологические свойства соответствуют нормам. Единство измерений не может быть обеспечено без специальных мер, осуществляемых в масштабах всего государства. Поэтому создана метрологическая служба, деятельность которой направлена на обеспечение единства измерений. Метрологическую службу возглавляет Государственный комитет метрологии и стандартизации.

Все используемые средства измерений (СИ) периодически, в установленные сроки, проходят поверку Поверкой средств измерений называется определение метрологическим органом погрешностей СИ и установление его пригодности к применению. Поверка СИ является одним из звеньев в многоступенчатой цепи передачи размера единицы физической величины от эталона через образцовые средства измерений к рабочему средству измерений. Именно эта связь с эталоном обеспечивает единообразие средств измерений и единство измерений.

Исходными аксиоматическими понятиями в определении сущности измерений являются: натуральный ряд однородных величин, шкалы реперов, единицы физических величин, измерительные преобразования.

Натуральный ряд однородных величин По однородным свойствам различные предметы могут быть расположены в виде рядов по возрастающим (или убывающим) значениям величин, характеризующих эти свойства. Например, построение натуральных рядов удельного электрического сопротивления и др.

Шкалы реперов Для получения объективных оценок необходимо из последовательного натурального ряда выбрать некоторые опорные (отправные и реперные) значения, которые можно воспроизвести в различных условиях. В температурном ряду таким значением является точка кипения или плавления некоторых веществ (например, точка кипения воды +100, 00°С, точка плавления льда 0, 00°С).

Измерительное преобразование В некоторых случаях, когда нельзя непосредственно сравнить измеряемую величину с воспроизводимой единицей физической величины, используют измерительное преобразование. Это такой вид преобразования, при котором устанавливается однозначное соответствие между значениями двух величин (входной и выходной). Зависимость между этими величинами стремятся сделать линейной.

5. ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ИХ ЕДИНИЦЫ Физическая величина ГОСТ 16263 -70 определена как свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам (физическим системам, их состояниям и происходящим в них процессам), но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта. Так, все тела обладают массой и температурой, но для каждого из них количественная оценка массы или температуры будет различной. Не следует применять термин «величина» для выражения только количественной стороны рассматриваемого свойства. Например, неправильно употреблять выражения: «величина массы», «величина давления», «величина силы» и т. п. , потому что свойства – масса, давление, сила – сами являются величинами. В этих случаях речь идет о размерах физических величин, и поэтому следует говорить «размер массы», «размер давления».

Размером физической величины называется количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию физическая величина. Между размерами каждой физической величины существуют отношения, которые имеют ту же логическую структуру, что и отношения между числовыми формами (целыми, рациональными или действительными числами, векторами). Поэтому множество числовых отношений типа «больше», «меньше», «равно», «сумма» и других может служить моделью физической величины, т. е. множества ее размеров с отношениями между ними.

Различают три вида физических величин, измерение которых осуществляется по принципиально различным правилам: К первому виду физических величин относятся величины, на множестве размеров которых определены лишь отношения порядка и эквивалентности. Это отношения типа «тверже», «мягче», «одинаково твердые», «теплее», «холоднее» и т. п. Существование подобных отношений устанавливается теоретически или экспериментально с помощью специальных средств сравнения, а также на основе наблюдений за результатами воздействия физической величины на какие-либо объекты. К величинам этого вида относятся: твердость, определяемая как способность тела оказывать сопротивление проникновению в него другого тела, температура, понимаемая как степень нагретости тела, сила землетрясения. Так, например, легко установить различие в твердости стали и свинца, можно установить различие в твердости двух образцов стали путем вдавливания одного в другой, но не можем установить значения различия в твердости и тем более сравнить эти различия.

Для второго вида физических величин отношения порядка и эквивалентности имеют место не только между размерами величин, но и между разностями в парах их размеров. К этому виду относятся такие величины, как время, потенциал, энергия, температура, связанная, по определению, со шкалой ртутного термометра. Возможность сравнения разностей их размеров вытекает из самих определений этих величин. Так, разности температур считаются равными, если расстояния между соответствующими отметками на шкале ртутного термометра равны.

Третий вид составляют аддитивные физические величины. Аддитивными физическими величинами называются величины, на множестве размеров которых определены не только отношения порядка и эквивалентности, но и операции сложения и вычитания. Операция считается определенной, если ее результат (сумма или разность) также является размером той же физической величины и существует способ ее технической реализации. К таким величинам относятся, например, длина, масса, термодинамическая температура, сила тока, ЭДС, электрическое сопротивление. Их можно измерять по частям, а также воспроизводить с помощью многозначной меры, основанной на суммировании отдельных мер. К аддитивным физическим величинам относятся и разности некоторых физических величин второго вида: разность потенциалов, отрезки времени, рассматриваемые как разности моментов времени и др. Но их следует рассматривать как новые физические величины, так как разность потенциалов не является потенциалом, а разность двух моментов времени не является моментом времени.

Для количественной оценки свойств физической величины применяют понятия «значение» и «размер» Между этими понятиями есть принципиальное различие. Размер физической величины существует реально и не зависит от того, производится его измерение или нет. Значение физической величины появляется только в процессе измерений и зависит от единицы измерения. Размерность физических величин – это соотношение между единицами величин, входящих в уравнение, связывающее данную величину с другими величинами, через которые она выражается. Для любой физической величины третьего вида всегда можно выбрать некоторую [ Q ] и присвоить ей числовое значение, равное 1. Эту величину называют единицей физической величины. Единица физической величины — физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице.

Значение физической величины – оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Значение физической величины Q определяется уравнением Q = q [ Q ] которое называют основным уравнением измерения. Числовое значение величины третьего вида показывает, во сколько раз значение измеряемой величины больше некоторого значения, принятого за единицу. Следовательно, при различных единицах измерения значение физической величины Q будет выражено различными числовыми значениями: При выбранной единице измерения физическая величина как объективно существующее свойство объекта в данный момент времени может быть охарактеризована истинным ее значением.

Истинным значением физической величины называется значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Определить экспериментально его невозможно вследствие неизбежных погрешностей измерения. Вместо истинного значения при эксперименте получают действительное значение физической величины, степень приближения которого к первому зависит от цели эксперимента и выбранной точности измерительного средства.

Действительное значение физической величины Действительное значение физической величины – значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него. Для действительного значения физической величины всегда можно указать границы более или менее узкой зоны, в пределах которой с заданной вероятностью находится истинное значение физической величины.

Сигналы измерительной информации Сигналом называется материальный носитель информации, представляющий собой некоторый физический процесс, один из параметров которого функционально связан с измеряемой физической величиной. Такой параметр называют информативным. Сигнал измерительной информации – сигнал, функционально связанный с измеряемой физической величиной и несущий информацию о ее значении.

Классификация измерительных сигналов ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИГНАЛЫ Аналоговые Дискретные Цифровые Постоянные во времени Переменные во времени Непрерывные Импульсные Неслучайные: детерминированные и квазидетерминированные Случайные Элементарные Сложные Стационарные Нестационарные Переодические Эргодические Нестационарные Неэргодические. Непериодические Гармонические Полигармонические Почти периодические Переходные

По характеру измерения информативного и временного параметров измерительные сигналы делятся на аналоговые, дискретные и цифровые: Аналоговый сигнал – это сигнал, описываемый непрерывной или кусочно-непрерывной функцией. Дискретный сигнал – это сигнал, изменяющийся дискретно во времени или по уровню. Цифровые сигналы – квантованные по уровню и дискретные по времени сигналы.

По характеру изменения во времени сигналы делятся на постоянные, значения которых с течением времени не изменяются, и переменные, значения которых меняются во времени.

Международная система единиц Физические величины, единицы которых устанавливаются независимо от других величин в системе, называются основными величинами, а их единицы – основными единицами. Все остальные величины и единицы определяются однозначно через основные и называются производными. Совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, называется системой единиц физических величин. Единица основной физической величины является основной единицей данной системы.

Основные и дополнительные единицы физических величин системы СИ Величина Единица Наименование Размерност ь Рекомендуемое обозначение Наименование Обозначение русское Обозначение международно е Основные Длина L l метр м m Масса M m килограмм кг kg Время T t секунда c s Сила электрического тока I I ампер A A Термодинамическая температура T кельвин К К Количество вещества N n , v моль mol Сила света J J кандела кд cd Дополнительные Плоский угол — — радиан рад red Телесный угол — — стерадиан ср sr

Размерности производных физических величин определяются произведением размерностей основных величин, взятых в степенях, соответствующих степеням в уравнениях между величинами в физике. Диапазоны числовых значений физических величин так велики, что в практическом использовании единиц применяют кратные и дольные единицы. Кратная единица физической величины – это единица, большая в целое число раз системной или внесистемной единицы. Например, гектар (100 ар = 10 000 м 2), минута (60 секунд), километр (1000 метров), мегаватт (106 ватт). Дольная единица физической величины определяется как единица, меньшая в целое число раз системной или внесистемной единицы. Примеры: миллиметр (10 -3 метра), дюйм (1/12 фута), угловая минута (1/60 углового градуса), пикофарада (10 -12 фарады), наносекунда (10 -9 секунды). Целое число при образовании кратных и дольных единиц должно соответствовать принятому в данной системе принципу образования кратных и дольных единиц.

Решениями Генеральной конференции по мерам и весам установлены следующие определения основных единиц: Метр равен длине пути, проходимого светом в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды. Килограмм – единица массы, равная массе международного прототипа килограмма. Секунда равна 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Ампер – сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум нормальным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади круглого поперечного сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывает между проводниками силу взаимодействия, равную 2, 10 -7 Н на каждый метр длины. Кельвин – единица термодинамической температуры – 1/273, 16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Кандела равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540, 1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. Моль – количество веществ системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в углероде-12 массой 0, 012 кг.

Дополнительные единицы – это единицы измерения плоского и телесного угла – радиан и стерадиан. Они не включены в основные, так как это вызвало бы затруднение в трактовке размерностей величин, связанных с вращением. Их нельзя отнести и к производным, так как они не зависят от основных величин. Размеры радиана и стерадиана не зависят от размера единицы длины. Радиан – единица плоского угла, равная углу между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу. В градусном исчислении 1 рад = 57° 17’44, 8″. Стерадиан – единица, равная телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.

Классификация средств измерений Средства измерений – технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства. По назначению средства измерения разделяют на меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы. Меры – средства измерений, предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера. Различают однозначные и многозначные меры. Однозначные меры воспроизводят одно значение физической величины (например, нормальный элемент – значение ЭДС). Многозначные меры воспроизводят (плавно или дискретно) ряд значений одной и той же физической величины. Широкое применение имеют магазины сопротивлений, обеспечивающие ряд дискретных значений сопротивлений. Некоторые меры воспроизводят одновременно значения двух физических величин. Мера необходима для выполнения сравнения с ней измеряемой величины и получения ее значения. В зависимости от степени точности и области применения меры подразделяют на эталоны, образцовые и рабочие. Эталон воспроизводит единицу физической величины с наивысшей точностью.

Измерительные преобразователи Измерительные преобразователи – средства измерений, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Принцип их действия основан на различных физических явлениях. Измерительные преобразователи преобразуют любые физические величины Х (электрические, неэлектрические, магнитные) в выходной электрический сигнал Y = f (X).

Преобразователи Различают: преобразователи непрерывной величины в дискретную; первичные преобразователи (датчики), к которым подводится измеряемая величина; промежуточные, включенные в измерительную цепь после первичного; масштабные, предназначенные для изменения значения величины в некоторое число раз; обратные, включенные в цепь обратной связи; передающие; сравнения, предназначенные для сравнения измеряемой величины с мерой; выходные. К измерительным преобразователям можно отнести преобразователи переменного напряжения в постоянное, делители тока, напряжения, измерительные трансформаторы напряжения и тока, усилители, компараторы, аналого-цифровые преобразователи, цифро-аналоговые преобразователи и др.

Измерительные приборы Измерительные приборы – средства измерений, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные приборы состоят из ряда соединенных между собой определенным образом измерительных преобразователей.

Измерительные установки Измерительные установки – совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, преобразователей, приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, и расположенная в одном месте. Например, измерительная установка для измерения мощности в трехфазных цепях.

Измерительная система Измерительная система – совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления. Измерительную систему, в которой предусмотрена возможность представления информации оператору, называют информационно-измерительной системой (ИИС). Если в состав ИИС входит свободно программируемая ЭВМ, то система называется измерительно-вычислительным комплексом (ИВК).

ЭТАЛОНЫ Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все средства измерений одной и той же физической величины. Это достигается путем точного воспроизведения и хранения установленных единиц физических величин и передачи их размеров применяемым средствам измерений. Воспроизведение, хранение и передача размеров единиц осуществляются с помощью эталонов и образцовых средств измерений. Высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров единиц измерений являются эталоны.

Эталон Эталон единицы представляет собой средство измерений (или комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и хранение единицы физической величины (или одну из этих функций) с целью передачи размера единицы образцовым, а от них рабочим средствам измерений и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке. Эталон называется первичным, если он воспроизводит единицу с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами) точностью. Первичные эталоны основных единиц воспроизводят единицу в соответствии с ее определением.

Первичный, или специальный, эталон, официально утвержденный в качестве исходного для страны, называется государственным. Основное назначение эталонов – служить материально-технической базой воспроизведения и хранения единиц физических величин. По своему метрологическому назначению вторичные эталоны делят на эталоны-копии, эталоны сравнения, эталоны-свидетели и рабочие эталоны. Допускается применение государственного эталона в качестве рабочего, если это предусмотрено правилами хранения и применения эталона.

Метрологическая цепь передачи размеров единиц Первичный эталон Рабочие эталоны 1 -го разряда 2 -го разряда 3 -го разряда 4 -го разряда Наивысшей точности Высокой точности Средней точности Низшей точности. Рабочие меры и измерительные приборы. Образцовы е меры и измеритель ные приборы

Поверочные схемы Для обеспечения правильной передачи размера единиц физических величин во всех звеньях метрологической цепи (от эталонов образцовым мерам, а от них – рабочим мерам и измерительным приборам) должен быть установлен определенный порядок. Этот порядок и приводится в поверочных схемах. Поверочная схема представляет собой исходный документ, устанавливающий метрологическое соподчинение эталонов, образцовых средств измерений и порядок передачи размера единицы образцовым и рабочим средствам измерений. Государственные поверочные схемы должны служить основанием для составления локальных поверочных схем и для разработки государственных стандартов и методических указаний на методы и средства поверки образцовых и рабочих средств измерений. Общесоюзные поверочные схемы утверждаются в качестве государственных стандартов. Элементами общесоюзной поверочной схемы являются наименования государственных эталонов, эталонов-копий, эталонов-свидетелей, эталонов сравнения, рабочих эталонов, образцовых средств измерений и рабочих средств измерений, а также методов передачи размера единиц (методов поверки).

Методы поверки, указываемые на поверочной схеме, должны отражать специфику поверки данного вида средств измерений. В поверочных схемах приведены различные способы поверки средств измерений по образцовым средствам измерений, а последних – по эталонам. Поверка средств измерений – это определение метрологическим органом погрешностей средств измерений и установление их пригодности к применению.

1 – государственный эталон; 2 – метод передачи размера единиц; 3 – эталон-копия; 4 – эталон-свидетель; 5– рабочий эталон; 6, 7, 8 – образцовые средства измерений соответствующих разрядов; 9 – образцовые средства измерений, заимствованные из других поверочных схем; 10 – рабочие средства измерений

Меры могут быть поверены: — способом сличения с более точной образцовой мерой посредством компарирующего прибора (например, поверка концевых мер длины); — измерением воспроизводимой мерой величины измерительными приборами соответствующего разряда и класса (в этом случае поверка часто называется градуировкой мер, например градуировка мер твердости); — способом калибровки, когда с более точной мерой сличается лишь одна мера набора или одна из отметок шкалы многозначной меры, а действительные размеры других мер или значения вое производимых ими величин на других отметках шкалы определяются путем их взаимного сравнения в различных сочетаниях на приборах сравнения и при дальнейшей обработке результатов измерений (калибровка гирь или линейных шкал).

Поверка измерительных приборов осуществляется одним из двух методов: — методом измерения величин, воспроизводимых образцовыми мерами соответствующего разряда или класса точности, значения которых выбирают равными соответствующим (чаще всего всем оцифрованным) отметкам шкалы прибора; наибольшая разность между результатами измерения и соответствующими им размерами мер является в этом случае основной погрешностью прибора; — методом сличения поверяемого и некоторого образцового прибора при измерении одной и той же величины; разность их показаний при измерении различных значений измеряемой величины определяет погрешность поверяемого прибора.

1. Метрология

1.1. Основные термины, применяемые в метрологии

Метрология - наука о весах и мерах. Термин «метрология» произошел от греческого metron - мера и logos - учение, слово. Основные направления метрологии: общая теория измерений; единицы физических величин и их системы; методы и средства измерений; методы определения точности измерений; основы обеспечения единства измерений и единообразия средств
измерения; эталоны и образцовые средства измерений; методы передачи размеров единиц от эталонов и образцовых средств измерений рабочим средствам измерений.

Предмет изучения метрологии - методы и средства, позволяющие проводить учет продукции, исчисляющейся по массе, длине, объему, расходу, мощности, энергии; измерения для контроля и регулирования технологических процессов и для обеспечения функционирования транспорта и связи; измерения
физических величин, технических параметров, состава и свойств веществ, проводимые при испытаниях и контроле продукции.

Основные термины, применяемые в метрологии:

Физическая величина - свойство какого-либо объекта, процесса, отличающее его в количественном отношении от других, схожих с ним по качеству, физических объектов.

Измерение - совокупность операций по нахождению значения физической величины с помощью специальных технических средств с учетом экспериментального сравнения данной физической величины с однородной физической величиной, значение которой принято за единицу.

Единица физической величины - физическая величина, которой по определению присвоено значение, равное единице.

Система единиц физической величины - совокупность основных единиц, служащих базой для установления связей с
другими, производными, физическими единицами.

Единство измерений - такое состояние измерений, при котором результаты выражены в. узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью.

Погрешность измерений - отклонение полученного результата измерений от истинного, установленного экспериментальным путем теоретического значения измеряемой величины.

Средства измерений - технические средства с нормированной погрешностью, используемые при измерениях единицы величины; по техническому назначению подразделяются на меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, вспомогательные средства измерений, измерительные установки и измерительные системы.

Эталон - предназначенная для воспроизведения и хранения единицы величины высокоточная мера. С помощью эталона размер единицы передается нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений.

Мера - средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера (кварцевый генератор является мерой частоты электрических колебаний).

Измерительный прибор - средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдатем.

Измерительный преобразователь - средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации, не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Измерительная установка - совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных презователей) и вспомогательных устройств, расположенных в одном месте, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительная система - совокупность средств измерений, вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенных для выработки сигналов измерильной информации в удобной для автоматической обработки, передачи и использования форме.

1.2. Понятие метрологического обеспечения,
обеспечение разных видов работ

Метрологическое обеспечение - установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений.

Единство измерений - подразумевает, что результаты измерений выражены в узаконенных единицах, погрешности измерений известны с заданной вероятностью.

Научной основой метрологического обеспечения является метрология.

Цели метрологического обеспечения:

повышение качества продукции;

оптимизация управления производством;

обеспечение взаимозаменяемости деталей, узлов и агрегатов;

повышение эффективности научно-методологических работ,
экспериментов и испытаний;

оптимизация системы учета;

повышение эффективности мероприятий по профилактике,
диагностике и лечению болезней;

оптимизация системы нормирования и контроля условий тру-
да и быта людей;

улучшение качества охраны окружающей среды;

оптимизация системы оценки природных ресурсов;

повышение уровня автоматизации управления транспортом
и безопасности движения;

обеспечение высокого качества и надежности связи.
Единая Государственная система метрологического обеспечения включает:

системы государственных эталонов единиц физических величин;

системы передачи размеров единиц физических величин от эталонов ко всем средствам измерений с помощью образцовых средств измерений;

системы разработки, постановки на производство и выпуска
в обращение рабочих средств измерений;

системы обязательных государственных испытаний средств
измерений, предназначенных для серийного или массового
производства и ввоза их из-за границы партиями;

системы государственной и ведомственной поверки или метрологической аттестации средств измерений;

системы стандартных образцов состава и свойств веществ и
материалов;

системы стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов.

Общие единые правила и нормы метрологического обеспечения устанавливаются в стандартах Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ). ГОСТ 1.25-76 «Метрологическое обеспечение. Основные положения» регламентирует метрологическое обеспечение на различных уровнях управления и производства.

Метрологическое обеспечение испытаний продукции
предполагает:

наличие необходимых средств измерений, зарегистрированных в Госреестре;

наличие испытательного оборудования, соответствующего требованиям нормативных документов на методики проведения испытаний;

применение аттестованных методик выполнения измерений;

наличие протоколов первичной и периодической аттестации испытательного оборудования, графиков их проведения;

удовлетворительное состояние средств измерений и испытательного оборудования, наличие и соблюдение графиков их поверки и аттестации

условия размещения испытательного оборудования и средств измерений;

соблюдение условий выполнения измерений и испытаний;

наличие и достаточность средств измерений, представленных для проведения периодической аттестации испытательного оборудования.

Основные процедуры, проводимые в рамках метрологического обеспечения предприятия:

анализ состояния измерений, разработку и осуществление
на его основе мероприятий по совершенствованию и упорядочению измерительного дела на предприятии;

создание и внедрение современных методик выполнения измерений и средств измерений, испытаний и контроля;

проведение метрологической экспертизы, конструкторской, технологической и нормативно-технической документации для обеспечения выполнения требований соответствующих стандартов ГСИ и отраслевых стандартов, норм и требований, вытекающих из задач метрологического обеспечения;

контроль за соблюдением метрологических правил и требований при проведении научных исследований и на всех стадиях разработки, производства и испытаний изделий.

1.3. Измерения, испытания.

Измерение характеризуется следующими параметрами.
Погрешность измерения - количественная характеристика качества измерения, определяемая как отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.
Достоверность измерения - степень доверия к результатам измерений. Измерения, для которых известны вероятные характеристики отклонения результатов от истинного значения,относятся к достоверным.

Сходимость измерений - качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполненных в одинаковых условиях.

Воспроизводимость измерений - качество измерений, оражающее близость друг к другу результатов измерений, выполненных в различных условиях (в различное время, в различных местах).

Принцип измерений - физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений.

Измерения делятся на прямые (значения находят только по показаниям измерительных приборов), косвенные (значение искомой величины находят посредством расчетов), совместные (одновременно измеряют несколько величин для установления зависимости между ними), совокупные (значение искомой величины находят путем решения системы уравнений), однократные, многократные.

По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения делятся на статические и динамические. Статические измерения соответствуют случаю, когда измеряемая величина остается постоянной. Динамические измерения соответствуют случаю, когда измеряемая величина изменяется.

Абсолютное измерение основано на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант.

Относительным называется измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

Метод измерений - это совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

Среди методов измерения:

метод непосредственной оценки - значение величины определяется непосредственно по отсчетному устройству измерительного преобразователя прямого действия;

Днепропетровский государственный технический университет железнодорожного транспорта

Кафедра теплотехники

Арестов А.П.

Конспект лекций по дисциплине «Метрология и стандартизация».

Часть 1. Метрология.

Днепропетровск – 1998

1.Предмет и задачи метрологии.

1.1 Основные термины, применяемые в метрологии.

Термин «метрология» произошел от греческих слов: метрос – мера, логос – учение, слово. В современном понимании это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. К основным направлениям метрологии относятся: общая теория измерений; единицы физических величин и их системы; методы и средства измерений; методы определения точности измерений; основы обеспечения единства измерений и единообразия средств измерения; эталоны и образцовые средства измерений; методы передачи размеров единиц от эталонов и образцовых средств измерений рабочим средствам измерений. Часть из них имеют научный характер. Другая часть относится к законодательной метрологии. Законодательный характер метрологии обуславливает стандартизацию ее терминов и определений.

Физическая величина – свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта.

Измерение – нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Под измерением понимается процесс экспериментального сравнения данной физической величины с однородной физической величиной, значение которой принято за единицу.

Единица физической величины – физическая величина, которой по определению присвоено значение, равное 1.

Единицы физической величины представляют собой вспомогательный аппарат, применимый при изучении объектов природы. Принципиально можно представить бесконечное множество единиц физических величин. Но практика выдвигает требование единства измерений, которое можно обеспечить при любой системе единиц. Однако для сопоставления результатов измерений без пересчетов (при переходе от одной системы единиц к другой) необходимо, чтобы результаты измерений выражались в узаконенных единицах.

Единство измерений – состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Как ясно из определения, это понятие включает не только выполнение условия единства используемых единиц физических величин, но и значение погрешности измерения.

Средство измерений – техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства. По техническому назначению средства измерений подразделяются на меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, вспомогательные средства измерений, измерительные установки и измерительные системы.

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера (кварцевый генератор является мерой частоты электрических колебаний). Мера, воспроизводящая ряд одноименных величин различного размера, называется многозначной (конденсатор постоянной емкости выполняет роль однозначной меры, а конденсатор переменной емкости – многозначной). Часто используется набор мер – специально подобранный комплект мер, применяемых не только отдельно, но и в различных сочетаниях для воспроизведения ряда одноименных величин различного размера.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные приборы бывают аналоговые и цифровые, показывающие и регистрирующие.

Измерительный преобразователь – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Первичным называется преобразователь, являющийся первым в электрической цепи и к которому непосредственно подводится измеряемая величина. Передающий измерительный преобразователь предназначен для дистанционной передачи сигнала измерительной информации; масштабный измерительный преобразователь – для изменения измеряемой величины в заданное число раз.

Вспомогательное средство измерений – средство измерения величин, влияющих на метрологические свойства другого средства измерений при его применении. Эти средства применяют для контроля за поддержанием значений влияющих величин в заданных пределах.

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной (для автоматической обработки, передачи и использования в АСУ) для непосредственного восприятия наблюдателем и расположенная в одном месте.

Измерительная система – совокупность средств измерений (мер, И.П., И.Пр.) и вспомогательных устройств соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме удобной для автоматической обработки, передачи и использования в АСУ.

1.2 Классификация измерений.

По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения делятся на статические и динамические.

Статические измерения соответствуют случаю, когда измеряемая величина остается постоянной.

Динамические – когда измеряемая величина изменяется.

По способам получения результатов различают прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения.

Прямыми называются измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. При этом измеряемую величину сравнивают с мерой измерительными приборами, градуированными в требуемых единицах (сила тока – А – метром).

При косвенных измерениях искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Косвенные измерения широко распространены в тех случаях, когда искомую величину невозможно или сложно измерить непосредственно или когда прямое измерение дает менее точный результат.

При совокупных измерениях одновременно измеряют несколько однотипных величин и искомые значения величин находят решая систему уравнений, полученных при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

Совместные измерения – производимые одновременно измерения двух или нескольких одноименных величин для нахождения зависимости между ними.

По способу выражения результатов измерений различают абсолютные и относительные измерения.

Абсолютное измерение основано на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант (измерение напряжения в Вольтах).

Относительным называется измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

По используемому методу измерения – совокупности приемов использования принципов и средств измерений различают:

Метод непосредственной оценки, в котором значение величины определяется непосредственно по отсчетному устройству измерительного преобразователя прямого действия.

Метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Этот метод имеет следующие модификации: противопоставления, дифференциальный, нулевой, замещения, совпадений.

Метод противопоставления – измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения с помощью которого устанавливаются соотношения между этими величинами.

Метод дифференциальный – на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой.

Метод нулевой – результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля.

Метод замещения – измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой.

Метод совпадений – разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов.

1.3 Основные характеристики измерений.

Принцип измерений – физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений.

Погрешность измерений – отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

Истинное значение физической величины идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующие свойства объекта, но оно остается неизвестным, поэтому с помощью измерений находят такое действительное значение, настолько приближающееся к истинному, что для данной цели может быть использовано вместо него.

Точность измерения – качество измеряемой величины, отражающее близость к нулю систематической погрешностей результатов (т.е. таких погрешностей, которые остаются постоянными или закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины). Правильность измерений зависит от того, насколько были верны средства измерений, используемые при эксперименте.

Достоверность измерения – степень доверия к результатам измерений. Измерения для которых известны вероятные характеристики отклонения результатов от истинного значения относятся к достоверным. Наличие погрешности ограничивает достоверность измерений, так как вносит ограничение в число достоверных значащих цифр числового значения измеряемой величины и определяет точность измерений.

Лекции по метрологии

(для студентов заочного отделения)

Часть I . Основы метрологии

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и требуемой точности.

Единство измерений – результаты выражены в узаконенных единицах и установлены допустимые погрешности.

Метрология определяет как правильно проводить измерения, поэтому является базовой наукой.

В РФ имеется примерно 1,5 млрд. средств измерений (СИ).

Официально началом участия государства в метрологическом деле в России считается 1893 г., когда была создана Главная палата мер и весов. Возглавил ее Д.И. Менделеев. Он и считается первым метрологом России.

В 1930 г. был создан Госстандарт СССР. Сейчас работу в РФ возглавляет Росстандарт. Подразделения государственной метрологической службы (ГМС) Росстандарта:

Научные метрологические центры и НИИ;

Опытные заводы;

Издательства, учебные заведения;

Территориальные органы (областные);

Метрологические службы органов управления и юридических лиц (на каждом предприятии есть метрологическая служба).

В метрологии выделяют три направления:

1. Законодательное (разработка нормативных документов, испытания СИ, утверждение типа СИ, их поверка, калибровка, сертификация, метрологический контроль и надзор).

2. Фундаментальное или научное (разработка новых методов измерений, средств измерений, методов обработки результатов измерений, определения погрешностей).

3. Практическое или прикладное.

Базовые законы по метрологии :

«Об обеспечении единства измерений»

«О техническом регулировании».

Основные метрологические термины и определения

Физическая величина (ФВ) – одно из свойств физического объекта, которое является общим в количественном отношении для многих физических объектов, отличаясь количественным значением.

Отличие: ФВ имеет единицу измерения.

Пример ФВ: ток, напряжение, …

Размер ФВ – количественное содержание ФВ в данном объекте.

Значение ФВ – количественная оценка ФВ в виде некоторого числа единиц данной ФВ.

Единица ФВ – ФВ, которой по определению придано значение, равное единице.

Измерение – нахождение значений ФВ опытным путем с помощью специальных технических средств.

Точность измерений – степень приближения результатов измерений к истинному значению измеряемой величины. Численно оценивается с помощью погрешностей.

Погрешность измерений – отклонение результата измерений от действительного (истинного) значения измеряемой величины.

Действительное значение – значение, определенное экспериментально (с помощью эталонных средств измерений) и настолько близкое к истинному, что может быть за него принято.

Истинное значение – значение, идеально отражающее в качественном и количественном отношении соответствующее свойство данного физического объекта.

Средства измерений (СИ) – технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные погрешности (класс точности).

Единицы измерений. Системы единиц

Все первые единицы измерений были привязаны к телу человека или каким-то широко распространенным предметам.

Так в России для измерения длины:

- пядь – расстояние между большим и средним пальцами;

- аршин – 4 пяди;

- локоть ;

В Англии:

- дюйм (с 1324 г. !) – три круглых сухих ячменных зерна, уложенных по длине;

- фут – 12 дюймов;

- ярд – 3 фута.

В 1496 г. был создан эталон ярда – латунный восьмигранный стержень.

По мере развития измерений изобретались новые единицы измерений и острой стала проблема сопоставимости результатов.

Так в электротехнике к 1870 г. в мире применялось 15 единиц измерения сопротивления, восемь – напряжения, пять – тока и т.д. В 1881 г. состоялся Первый международный электротехнический конгресс, на котором вопросу единых единиц измерения уделили много внимания.

Истории известно несколько международных систем единиц измерения.

С 1963 г. в большинстве стран, в том числе и в России используется система СИ . Она включает семь основных величин (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, кандела, моль), две дополнительных (радиан и стерадиан) и множество производных (ом, ватт, герц, вольт и т.д.).

Некоторые виды деятельности Росстандарта

1. Утверждение типа СИ .

Оно необходимо для постановки на производство и выпуск в обращение новых типов СИ или ввоз их из-за границы.

Процедура утверждения предусматривает:

Обязательные испытания СИ;

Принятие решения об утверждении типа СИ;

Его регистрацию;

Выдача свидетельства (ранее - сертификата) об утверждении типа СИ.

Утвержденный тип СИ подлежит внесению в Госреестр СИ, который ведет Росстандарт. На СИ утвержденного типа и эксплуатационные документы наносится знак утверждения типа СИ.

Знак утверждения типа СИ

2. Поверка СИ . Поверка СИ заключается в установлении органом ГМС пригодности СИ к применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждения их соответствия установленным требованиям (в первую очередь – указанному на СИ классу точности).

Поверка СИ осуществляется в аккредитованном испытательном центре (лаборатории) аттестованным в качестве поверителя физическим лицом.

Различают поверки:

Первичную, после изготовления;

Периодическую (в эксплуатации, например, раз в год);

а также внеочередную, инспекционную, экспертную.

Знак поверки (голографический)

Для обеспечения единства измерений в стране существует Государственная поверочная схема. Она установлена для обеспечения правильной передачи размеров единиц от эталонов к рабочим СИ. Утверждена схема Росстандартом.

Стрелки на схеме показывают какие менее точные СИ следует поверять СИ данного уровня. Так по эталонным СИ 1-го разряда, например, следует поверять эталонные СИ 2-го разряда, а также рабочие СИ высшей точности.

Эталонные СИ можно применять только для поверки, а рабочие – при любых измерениях. Класс точности эталонного прибора должен быть в 5 раз выше, чем у поверяемого (иногда допускается в 3 раза). На каждом этапе передачи размеров единиц регламентируется метод передачи.

Государственная поверочная схема

Обязательность поверки СИ определяется областью их применения. Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» содержит их перечень. Это военная и космическая техника, медицина, торговля, фиксация рекордных результатов в спорте и т.д.

Если же область применения данного СИ в вышеназванный перечень не входит, то в процессе эксплуатации проводят или его поверку добровольно, или калибровку.

Процедура калибровки схожа с процедурой поверки, однако проводить ее могут и не только государственные метрологические службы, но и службы юридических лиц, если они имеют на это право (аккредитование).

3. Лицензирование деятельности по изготовлению, ремонту и продаже СИ.

Лицензия – документально оформленное разрешение, выдаваемое органом государственной метрологической службы на закрепленной за ним территории юридическому или физическому лицу на осуществление им деятельности по изготовлению, ремонту и продаже СИ.

Лица, претендующие на лицензию на изготовление СИ, должны иметь свидетельство об утверждении типа СИ. При этом проверяется наличие помещений, соответствующего оборудования и СИ, уровень подготовленности персонала и т.д.

4. Сертификация СИ – носит добровольный характер.

Знаки сертификации

а) – добровольная

б) – обязательная.

Методы измерений

Метод измерений (МИ) – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей.

МИ делятся на методы непосредственной оценки , когда измеряемое значение определяют по отсчетному устройству измерительного прибора (например, ток по амперметру) и методы сравнения с мерой , когда в процессе измерений устанавливается равенство или определенное соотношение с мерой. Т.к. в процессе измерений участвует мера, то точность измерений методами второй группы возможна значительно выше, чем у первой, хотя процесс измерений может быть сложнее.

Различают методы одновременного и разновременного сравнения с мерой.

Наиболее известный метод одновременного сравнения – нулевой . При измерениях этим методом действие измеряемой величины А х на индикатор сводится к нулю встречным действием известной величины А 0 . При этом А х = А 0 .

Из методов разновременного сравнения рассмотрим метод замещения . Согласно ему измеряемая А х заменяется известной А 0 , и изменением А 0 цепь приводится в прежнее состояние (например, вместо резистора R x в цепь ставится магазин сопротивлений, и изменением его сопротивления R 0 восстанавливают в цепь прежний ток. При этом R x = R 0 ).

Методики выполнения измерений

С учетом того, что погрешность измерений зависит не только от класса точности, но и от других причин, которые определяются выбранным методом и процедурой измерений (условия измерения; погрешность, вносимая оператором и т.д.) создаются методики выполнения измерений (МВИ).

МВИ – совокупность конкретно описанных операций, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с установленными показателями точности.

МВИ, по сути, прописывает технологический процесс измерений (устанавливает метод и процедуру измерений, условия их проведения, требования к помещениям, оборудованию и оператору, правила обработки результатов измерений, определения погрешностей).

Виды измерений

1. По способу получения результатов измерений:

- прямые – измерения, при которых искомое значение величины получают непосредственно от средства измерений (например, нахождение напряжения по показаниям вольтметра).

- косвенные – измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям (например, нахождение по закону Ома сопротивления по измеренным напряжению и току).

Совместные – производимые одновременно измерения двух или более неодноименных величин для нахождения зависимости между ними (например, измерения сопротивления и температуры).

2. По характеру зависимости измеряемой величины от времени различают измерения статические и динамические .

3. По количеству равноточных (равной точности) измерений различают измерения однократные и многократные . Преимущество многократных – в значительном снижении влияния случайных факторов на погрешность измерений.

Средства измерений

Средство измерений (СИ) – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики.

Основные группы СИ:

1. Меры (эталоны). Эталоны – высокоточные меры.

Меры – СИ, предназначенные для хранения и воспроизведения физической величины заданного размера с определенной точностью.

Первичные эталоны воспроизводят единицы ФВ с наивысшей точностью. Например, первичный в РФ эталон времени обеспечивает погрешность не более одной секунды в 500 тысяч лет. От первичного эталона размер передается эталонам-копиям, а от них – разрядным эталонам (см. поверочную схему).

2. Измерительные приборы (ИП) – СИ, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для восприятия наблюдателем.

По форме измерительной информации различают приборы аналоговые (в том числе стрелочные) и цифровые.

Есть ИП показывающие (результат считывается) и регистрирующие (результат прибором фиксируется).

По характеру применения: стационарные (щитовые) и переносные (лабораторные).

3. Измерительные установки – стационарные установки, содержащие несколько измерительных устройств (например, установка для поверки амперметров и вольтметров постоянного тока содержит источники питания, эталонные приборы, резисторы в термостате и др. оборудование).

4. Измерительные преобразователи – СИ, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки или хранения, но не поддающихся непосредственному восприятию наблюдателем.

Основные группы:

Масштабные, ослабляющие или усиливающие измерительный сигнал (измерительные трансформаторы, делитель напряжения, усилители и др.);

Фильтры, отделяющие сигнал от помех;

Аналого-цифровые преобразователи;

Преобразователи неэлектрических величин в пропорциональные им электрические (датчики).

5. Измерительные системы – совокупности функционально объединенных мер, измерительных приборов, преобразователей, компьютеров и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерения нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях.

6. Измерительные принадлежности – устройства, обеспечивающие технику безопасности и удобство измерений.

7. Виртуальные приборы – состоят из персонального компьютера с программным обеспечением и встроенной в него аналого-цифровой платой сбора данных.

Погрешности

Погрешности СИ делятся:

В зависимости от условий возникновения на основные и дополнительные;

В зависимости от изменения во времени измеряемой величины на статические и динамические;

В зависимости от значения измеряемой величины на аддитивные и мультипликативные;

По закономерности проявления – систематические и случайные.

Погрешности СИ можно численно выразить как абсолютную, относительную и приведенную.

Основная – погрешность СИ при его применении в нормальных условиях;

Дополнительная – возникающая дополнительно к основной при применении СИ в условиях, когда влияющие величины (температура, влажность и т.п.) выходят за установленные границы.

Статическая – при измерении не меняющейся во времени величины.

Динамическая – при измерении меняющейся во времени величины.

Аддитивная – не зависящая от размера измеряемой величины.

Мультипликативная – увеличивающаяся с ростом измеряемой величины.

Систематическая – постоянная или закономерно меняющаяся.

Случайная – изменяющаяся случайным образом.

Абсолютная – погрешность СИ, выраженная в единицах измеряемой величины.

Это разность между показанием прибора Х и действительным значением Х д измеряемой величины:

.

Поправка – абсолютная погрешность, взятая с обратным знаком. При сложении поправки с Х получается Х д .

Относительная:

.

Относительная погрешность более информативна, чем абсолютная, т.к. есть привязка к показанию прибора.

Приведенная :

,

где Х Н равен пределу измерений.

Класс точности СИ

Класс точности (К) – обобщенная характеристика точности СИ, выражаемая пределами допускаемых погрешностей.

У аналоговых ИП класс точности выражается одним числом, у цифровых – двумя числами в виде отношения.

У аналоговых:

.

Т.е. класс точности показывает максимально возможную приведенную погрешность. Соответствие прибора этому условию и проверяется при поверке.

Для стрелочных амперметров и вольтметров, например, установлены следующие К:

0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0.

,

где Х – показания прибора.

У цифровых приборов класс точности выражается в виде c/d , например: 0,1/0,05.

В этом случае:

,

где Х К – конечное значение выбранного диапазона измерений.

Нормируемые метрологические характеристики

средств измерений

Метрологическая характеристика (МХ) – характеристика одного их свойств СИ, влияющая на результат измерений и его погрешность.

При поверке (калибровке) СИ определяют действительные значения МХ и сравнивают с установленными нормами.

МХ нормируют для нормальных условий эксплуатации.

1. Погрешность – основная МХ. Максимально допустимая погрешность СИ определяется его классом точности.

2. Собственная потребляемая из контролируемой цепи мощность (чем меньше, тем лучше, т.к. включение СИ в цепь не должно искажать режим ее работы).

3. Область рабочих частот (диапазон частот).

У измерительных приборов к МХ также относят:

- диапазон показаний – область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значением шкалы;

- диапазон измерений – область значений величины, в пределах которой нормированы (классом точности) допускаемые пределы погрешности. Пределы диапазона измерений на шкале выделяются точками, если они не совпадают с начальным и конечным значениями шкалы.

- чувствительность (например, для амперметра это число делений на ампер);

- цена деления – обратная чувствительности МХ (для амперметра это число ампер на деление).

Локальные поверочные схемы

Для поверки амперметров и вольтметров классов точности 1,0 и больше обычно используется метод непосредственного сличения с эталонным прибором. В основе метода лежит проведение одновременных измерений поверяемым и эталонными приборами. Погрешность определяют как разницу показаний, принимая показания эталонного за действительное значение измеряемой величины.

Предел измерений эталонного прибора выбирается несколько больше предела поверяемого, но не более, чем на 25 %. Класс точности эталонного прибора должен быть в 5 раз выше, чем у поверяемого. (пример: для поверки приборов классов 1,0 подходит эталонный прибор класса 0,2).

Поверка проводится на всех числовых отметках шкалы поверяемого (кроме нулевой) при двух вариантах изменения тока (напряжения): при увеличении («вверх» по шкале) с остановкой на каждой числовой отметке. Затем – тоже «вниз» по шкале.

Для того, чтобы оценить соответствие прибора указанному на нем классу точности, следует сопоставить с ним полученные значения приведенной погрешности. Если все значения
, то прибор классу точности соответствует. Если же хотя бы одно значение превышает К – вывод противоположный.

Напоминание: амперметры включаются при поверке последовательно, а вольтметры – параллельно друг другу.

Вопросы к экзамену по метрологии

для студентов заочного отделения

ч. I . Основы метрологии

Метрология. Основные термины и определения. Метрологические службы в стране.

Утверждение типа средства измерений. Поверка. Лицензирование.

Методы измерений. Методики измерений. Виды измерений.

Средства измерений. Их метрологические характеристики.

Погрешности измерений.

Классы точности.

Поверка амперметров и вольтметров.

ч. II . Электрические измерения

Измерительные приборы.

Аналоговые измерительные приборы. Общие узлы. Обозначения на циферблате.

Шунты, добавочные резисторы, делители напряжения.

Измерительные трансформаторы тока и напряжения.

Магнитоэлектрические приборы.

Омметры. Схемы.

Электродинамические приборы. Схема ваттметра.

Электронно-лучевые осциллографы.