Основы метрологии и измерений 1 страница

1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕТРОЛОГИИ

Метрология — (от греч. metron — мера, logos — учение) — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Теоретическая (фундаментальная) метрология — раздел метрологии, предметом которого является разработка фундаментальных основ метрологии. Законодательная метрология — раздел метрологии, предметом которого является установление обязательных технических и юридических требований по применению единиц физических величин, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства и необходимости точности измерений в интересах общества. Практическая (прикладная) метрология — раздел метрологии, предметом которого являются вопросы практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии.

Основные задачи метрологии. К основным задачам теоретической метрологии относятся:

· установление рациональной номенклатуры единиц физических величин;

· создание и совершенствование системы воспроизведения, хранения и передачи размеров единиц;

· установление номенклатуры, методов нормирования, оценки и контроля показателей точности результатов измерений и метрологических характеристик средств измерений;

· разработка оптимальных (в соответствии с принятыми для каждой измерительной задачи критериями оптимальности) принципов, приемов и способов обработки результатов измерения.

На практике задачи метрологии претворяют в жизнь метрологические службы, созданные в соответствии с законодательством для выполнения работ по обеспечению единства измерений и для осуществления метрологического контроля и надзора. Различают государственную метрологическую службу, метрологические службы государственных органов управления, метрологические службы юридических лиц.

Обеспечение единства измерений — деятельность метрологических служб, направленная на достижение и поддержание единства измерений в соответствии с законодательными актами, а также правилами и нормами, установленными государственными стандартами и другими нормативными документами по обеспечению единства измерений.

Единство измерений — состояние измерений, характеризующееся тем, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам единиц, воспроизводимых первичными эталонами, а погрешности результатов измерений известны и с заданной вероятностью не выходят за установленные пределы.

Работы по обеспечению единства измерений и метрологическому контролю и надзору на межрегиональном и межотраслевом уровнях осуществляет государственная метрологическая служба, и пределах министерства (ведомства) — метрологическая служба государственного органа управления, а на предприятии (организации) — метрологическая служба юридического лица.

Основные задачи метрологической службы юридических лиц. К ним относятся:

· обеспечение единства и требуемой точности измерений, повышение уровня метрологического обеспечения производства;

· внедрение в практику современных методов и средств измерений, направленное на повышение уровня научных исследований, эффективности производства, технического уровня и качества продукции, а также иных работ, выполняемых предприятием;

· организация и проведение калибровки и ремонта средств измерений, находящихся в эксплуатации, своевременное представление средств измерений на поверку;

· проведение метрологической аттестации методик выполнения измерений, а также участие в аттестации средств измерений и контроля;

· проведение метрологической экспертизы технических заданий, проектной, конструкторской и технологической документации, проектов стандартов и других нормативных документов;

· проведение работ по метрологическому обеспечению подготовки производства;

· участие в аттестации испытательных подразделений, в подготовке к аттестации производств и сертификации систем качества;

· осуществление метрологического надзора за состоянием и применением средств измерений, аттестованными методиками выполнения измерений, эталонами, применяемыми для калибровки средств измерений, соблюдением метрологических правил и норм, нормативных документов по обеспечению единства измерений.

Физическая величина — одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

Размер физической величины — количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу.

Значение физической величины — выражение размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц.

Единица измерения физической величины — физическая величина фиксированного размера, которой присвоено числовое значение, равное единице, и применяемая для количественного выражения однородных с ней физических величин.

При измерениях используют понятия истинного и действительного значения физической величины. Истинное значение физической величины — значение величины, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину. Истинное значение физической величины может быть соотнесено с понятием абсолютной истины. Его можно получить только в результате бесконечного процесса измерений с бесконечным совершенствованием методов и средств измерений. Действительное значение физической величины — это значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него.

Измерение физических величин. Измерение — совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины.

Например, прикладывая линейку с делениями к какой-либо детали, по сути сравнивают ее размер с единицей, хранимой линейкой, и, произведя отсчет, получают значение величины (длины, высоты, толщины и других параметров детали); с помощью измерительного прибора сравнивают размер величины, преобразованной в перемещение указателя, с единицей, хранимой шкалой этого прибора, и проводят отсчет.

Приведенное определение понятия «измерение» удовлетворяет общему уравнению измерений, что имеет существенное значение при упорядочении системы понятий в метрологии.

В нем учтена техническая сторона (совокупность операций), раскрыта метрологическая суть измерений (сравнение с единицей) и показан гносеологический аспект (получение значения величины) В тех случаях, когда невозможно выполнить измерение

(не выделена величина как физическая и не определена единица измерения этой величины), практикуется оценивать такие величины по условным шкалам (например, шкала Мооса для определения твердости минералов, содержащая 10 условных чисел твердости).

Характеристики измерений. Измерение — сложный процесс и важными для него являются следующие характеристики: принцип и метод измерений, результат, погрешность, точность, сходимость, воспроизводимость, правильность и достоверность.

Принцип измерений — физическое явление или эффект, положенное в основу измерений. Примеры: применение эффекта Джозефсона для измерения электрического напряжения, эффекта Доплера для измерения скорости; использование силы тяжести при измерении массы взвешиванием.

Метод измерения — прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Пример: измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями (мерами массы с известным значением).

Результат измерения — значение величины, полученное путем ее измерения.

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

Точность результата измерений — одна из характеристик качества измерений, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения. Высокая точность измерения соответствует малым погрешностям. Количественно точность оценивают обратной величиной модуля относительной погрешности, например, если относительная погрешность составляет 0, 01, то точность равна 100.

Сходимость результатов измерений — близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполненных повторно одними и теми же средствами, одним и тем же методом и одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью. Сходимость измерений отражает влияние случайных погрешностей на результат измерения.

Воспроизводимость — близость результатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах, разными методами и средствами, разными операторами, в разное время, но прицеленных к одним и тем же условиям (температура, давление, илажность и др.).

Правильность — характеристика качества измерений, отражающая близость к нулю систематических погрешностей в их результатах.

Достоверность — характеристика качества измерений, отражающая доверие к их результатам, которая определяется вероятностью (доверительной) того, что истинное значение измеряемой величины находится в указанных границах (доверительных). Измерения делят на достоверные и недостоверные в зависимости от того, насколько известны вероятностные характеристики их отклонения от действительного значения измеряемых величин.

1.2. ЕДИНИЦЫ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Единицы, образующие какую-нибудь систему, называют системными единицами, а единицы, не входящие ни в одну из систем, — внесистемными. Из всех систем предпочтение отдается основным, построенным на единицах длины, массы, времени. Одними из таких систем для метрических единиц являются системы МКС (метр, килограмм, секунда) и СГС (сантиметр, грамм, секунда). Раньше широко использовались также системы механических, тепловых, электрических, магнитных, световых величин и др. Большое число внесистемных единиц, неудобства, возникшие на практике в связи с пересчетами при переходе от одной системы к другой, — все это вызвало необходимость создания единой универсальной системы единиц.

В 1960 г. 11 Генеральная конференция по мерам и весам утвердила Международную систему единиц — СИ (SI — Systeme International). Система СИ включает в себя систему единиц МКС (механические единицы) и систему МКСА (электрические единицы).

СИ строится из основных и производных единиц. Основные единицы образуют минимальный набор независимых исходных единиц, а производные единицы представляют собой различные комбинации основных единиц. Кроме самих единиц стандартизированы названия единиц и их обозначения, что дает возможность ученым иметь универсальный язык и записывать формулы, понятные во всем мире.

Основные единицы. В основу СИ положены семь основных единиц:

· метр (м) — единица длины. Метр равен длине пути, которую проходит свет в вакууме за 1/299792458 долю секунды;

· килограмм (кг) — единица массы. Килограмм равен массе международного прототипа килограмма (цилиндр из платиноиридия размером 39x39 мм).

В 1899 г. было изготовлено 43 образца, Россия получила два из них: N12 (государственный эталон) и N26 (эталон-копия);

· секунда (с) — единица времени. Секунда равна 9192631770
периодам излучения, соответствующего переходу между двумя
сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 при
отсутствии возмущения со стороны внешних полей;

· ампер (А) — единица силы электрического тока. Ампер равен силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2 ^.10^-7 Н;

· кельвин (К) — единица термодинамической температуры. Кельвин равен 1/273, 16 части термодинамической температуры тройной точки воды; допускается также применение шкалы Цельсия;

· моль (моль) — единица количества вещества. Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов (атомов, молекул, электронов и др.), сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0, 012 кг;

· кандела (кд) — единица света. Кандела равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540^.10¹² Гц, энергетическая сила которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Производные единицы. Кроме основных физических единиц, в систему СИ входят производные единицы, которые определяются с использованием физических законов и зависимостей через основные физические величины или через основные и уже определенные производные. К ним относятся единицы пространства и времени, механических, электрических и магнитных величин, тепловых, световых и акустических величин, величин ионизирующих излучений.

В Приложении 1 представлены широко используемые основные (см. табл. П.1) и производные единицы механических (см. табл. П.2), электрических (см. табл. П.З), магнитных (см. табл. П.4) и оптических (см. табл. П.5) величин; множители и приставки, используемые для образования десятичных кратных и дольных единиц (см. табл. П.6). Учитывая, что для обозначения некоторых физических величин принято использовать определенные буквы греческого алфавита, в табл. П.7 приведено общепринятое их употребление.

Внесистемные единицы. В практике измерений довольно часто используют внесистемные единицы — единицы физических величин, не входящие в принятую систему единиц. Внесистемные единицы (по отношению к единицам СИ) делят на четыре группы: 1 — допускаемые наравне с единицами СИ; 2 — допускаемые к применению в специальных областях; 3 — временно допускаемые; 4 — устаревшие (недопускаемые). Например, плоские углы чаще всего измеряют в угловых градусах, минутах и секундах. Эти внесистемные единицы допущены к применению наравне с единицами Международной системы СИ и в них градуировано большинство угломерных приборов. В табл. П.8 Приложения 1 приведены основные внесистемные единицы, используемые наравне с единицами СИ.

1.3. КЛАССИФИКАЦИЯ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Электрические измерения очень разнообразны и это связано с множеством измеряемых физических величин, различным характером их проявления во времени, различными требованиями к точности измерений, различными способами получения результата и т.д.

Измерение, согласно определению, предполагает сравнение исследуемой физической величины с однородной физической величиной, значение которой принято за единицу, и представление результата этого сравнения в виде числа. Это многооперационная процедура и для ее выполнения необходимо осуществление следующих измерительных операций: воспроизведения, сравнения, измерительного преобразования, масштабирования.

Воспроизведение величины заданного размера — операция создания выходного сигнала с заданным размером информативного параметра, т.е. величиной напряжения, тока, сопротивления, индуктивности и др. Эта операция реализуется средством измерений — мерой.

Сравнение — определение соотношения между однородными величинами, осуществляемое путем их вычитания. Эта операция реализуется устройством сравнения (компаратором).

Измерительное преобразование — операция преобразования входного сигнала в выходной, реализуемая измерительным преобразователем. Выходные сигналы измерительных преобразователей и их информативные параметры унифицированы государственной системой приборов и средств автоматизации (ГСП). Унифицированными сигналами являются постоянное напряжение 0... 10 В и постоянный ток 0...5, 0...20, 4...20 мА.

Масштабирование — создание выходного сигнала, однородного с входным, размер информативного параметра которого пропорционален в К раз размеру информативного параметра входного сигнала. Масштабное преобразование реализуется в устройстве, которое называется масштабным преобразователем.

Классификация измерений. Измерения можно классифицировать по различным признакам:

п о ч и с л у и з м е р е н и й — однократные, когда измерения выполняют один раз, и многократные — ряд однократных измерений физической величины одного и того же размера;

х а р а к т е р и с т и к е т о ч н о с т и — равноточные — ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью, и неравноточные, когда ряд измерений какой-либо величины выполняется различающимися по точности средствами измерений и в разных условиях;

х а р а к т е р у и з м е н е н и я в о в р е м е н и и з м е р я е м о й в е л и ч и н ы — статические, когда значение физической величины считается неизменным на протяжении времени измерения, и динамические — измерение изменяющейся по размеру физической исличины;

с п о с о б у п р е д с т а в л е н и я р е з у л ь т а т о в и з м е р е н и й — абсолютные — измерения величины в ее единицах, и относительные — измерения изменений величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную. Относительные измерения при прочих равных условиях могут быть выполнены более точно, чем абсолютные, так как в суммарную погрешность не входит погрешность меры величины;

с п о с о б у п о л у ч е н и я р е з у л ь т а т а и з м е р е н и я — прямые и косвенные.

Прямые измерения — измерения, при которых искомое значение физической величины получают непосредственно из опытных данных. К прямым измерениям относится нахождение значения напряжения, тока, мощности по шкале прибора и т. д.

Косвенные измерения — определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. При этом числовое значение искомой величины находится расчетным путем, например значение мощности в нагрузке определяется по показаниям амперметра и вольтметра (Р = UI). Хотя косвенные измерения сложнее прямых, они широко применяются в практике измерений, особенно там, где прямые измерения практически невыполнимы, либо тогда, когда косвенное измерение позволяет получить более точный результат по сравнению с прямым измерением. Косвенные измерения в свою очередь делят на совокупные и совместные.

Совокупные измерения — проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях. Например, нахождение сопротивлений двух резисторов по результатам измерения сопротивления при последовательном и параллельном их включении; определение массы отдельных гирь набора по известному значению массы одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний этих гирь.

Совместные измерения — проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними. Числовые значения искомых величин, как и в случае совокупных измерений, находят из системы уравнений, связывающих значения искомых величин со значениями величин, измеренных прямым (или косвенным) способом. Число уравнений должно быть не меньше числа искомых величин. Например, по результатам прямых измерений значений сопротивления терморезистора при двух различных температурах решением системы уравнений рассчитывают необходимые значения коэффициентов.

Методы измерения. Методы измерения можно классифицировать по различным признакам:

п о ф и з и ч е с к о м у п р и н ц и п у, положенному в основу измерения — электрические, механические, магнитные, оптические и т.д.;

с т е п е н и в з а и м о д е й с т в и я средства и объекта измерения — контактный и бесконтактный. Например, измерение температуры тела термометром сопротивления (контактный) и объекта пирометром (бесконтактный).

р е ж и м у в з а и м о д е й с т в и я средства и объекта измерения — статические и динамические;

в и д у и з м е р и т е л ь н ы х с и г н а л о в — аналоговые и цифровые;

о р г а н и з а ц и и с р а в н е н и я и з м е р я е м о й в е л и ч и н ы с м е р о й — методы непосредственной оценки и сравнения.

Метод непосредственной оценки (отсчета) — метод измерений, при котором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений. Он отличается своей простотой, но невысокой точностью.

Метод сравнения с мерой — метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Эти методы сложны, но характеризуются высокой точностью. Их подразделяют на дифференциальные, нулевые, противопоставления, замещения и совпадений.

Дифференциальный (разностный) метод — метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, незначительно отличающейся от измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами. Точность метода возрастает с уменьшением разности между сравниваемыми величинами.

Нулевой метод — метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля. Например, измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием. Метод измерения замещением — метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины. Метод используют, например, при измерении индуктивности, емкости.

Метод совпадений — метод, при котором измеряют разность между искомой величиной и образцовой мерой, используя совпадения отметок или периодических сигналов. Метод применяют, например, для измерения перемещений, периода, частоты.

1.4. КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Средство измерений (СИ) — техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. Данное определение раскрывает суть средства измерений, заключающуюся, во-первых, в «умении» хранить (или воспроизводить) единицу физической величины; во-вторых, в неизменности размера хранимой единицы. Эти важнейшие факторы и обусловливают возможность выполнения измерения (сопоставление с единицей), т.е. «делают» техническое средство средством измерений. Если размер единицы в процессе измерений изменяется более чем установлено нормами, таким средством нельзя получить результат с требуемой точностью. Это означает, что измерять можно лишь тогда, когда техническое средство, предназначенное для этой цели, может хранить единицу, достаточно неизменную по размеру (во времени).

Средства измерений классифицируют в зависимости от назначения и метрологических функций.

П о н а з н а ч е н и ю СИ подразделяются на меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы.

Мера — средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью. Различают меры:

· однозначные — воспроизводящие физическую величину одного размера (например, ЭДС нормального элемента равна 1, 0185 В);

· многозначные — воспроизводящие физическую величину разных размеров (например, штриховая мера длины);

· набор мер — комплект мер разного размера одной и той же физической величины, предназначенных для практического применения как в отдельности, так и в различных сочетаниях (например, набор концевых мер длины);

· магазин мер — набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений).

Измерительный преобразователь — техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину, или измерительный сигнал, удобный для обработки. Это преобразование должно выполняться с заданной точностью и обеспечивать требуемую функциональную зависимость между выходной и входной величинами преобразователя. Измерительный преобразователь или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы и др.), или применяется вместе с каким-либо средством измерений. Измерительные преобразователи могут быть классифицированы по различным признакам, например:

п о х а р а к т е р у п р е о б р а з о в а н и я различают следующие виды измерительных преобразователей: электрических величин в электрические (шунты, делители напряжения, измерительные трансформаторы и пр.); магнитных величин в электрические (измерительные катушки, феррозонды, преобразователи, основанные на эффектах Холла, Гаусса, сверхпроводимости и т.д.); неэлектрических величин в электрические (термо- и тензопреобразо-ватели, реостатные, индуктивные, емкостные и т.д.);

м е с т у в и з м е р и т е л ь н о й ц е п и и ф у н к ц и я м различают первичные, промежуточные, масштабные и передающие преобразователи.

Измерительный прибор — средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне.

Измерительные приборы подразделяются:

п о ф о р м е р е г и с т р а ц и и измеряемой величины — на аналоговые и цифровые;

п р и м е н е н и ю — амперметры, вольтметры, частотомеры, фазометры, осциллографы и т.д.;

н а з н а ч е н и ю — приборы для измерения электрических и неэлектрических (магнитных, тепловых, химических и др.) физических величин;

д е й с т в и ю — интегрирующие и суммирующие;

с п о с о б у и н д и к а ц и и значений измеряемой величины — показывающие, сигнализирующие и регистрирующие;

м е т о д у п р е о б р а з о в а н и я измеряемой величины — непосредственной оценки (прямого преобразования) и сравнения;

с п о с о б у п р и м е н е н и я и п о к о н с т р ук ц и и — щитовые, переносные, стационарные;

з а щ и щ е н н о с т и о т в о з д е й с т в и я в н е ш н и х у с л о в и й — обыкновенные, влаго-, газо-, пылезащищенные, герметичные, взрывобезопасные и др.

Измерительные установки (ИУ) — совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте. Измерительную установку, применяемую для поверки, называют поверочной установкой, а входящую в состав эталона — эталонной установкой. Некоторые большие измерительные установки называют измерительными машинами, например, установки для измерений удельного сопротивления электротехнических материалов; для испытаний магнитных материалов.

Измерительная система (ИС) — совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях. В зависимости от назначения измерительные системы подразделяют на информационные, контролирующие, управляющие и др. Например, радионавигационная система для определения местоположения различных объектов, состоящая из ряда измерительно-вычислительных комплексов, разнесенных в пространстве на значительное расстояние друг от друга.

Измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) — функционально объединенная совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения в составе измерительной системы конкретной измерительной задачи.

П о м е т р о л о г и ч е с к и м ф у н к ц и я м СИ подразделяются на эталоны и рабочие средства измерений.

Эталон единицы физической величины — средство измерений (или комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке. Конструкция эталона, его свойства и способ воспроизведения единицы определяются природой данной физической величины и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений. Эталон должен обладать, по крайней мере, тремя тесно связанными друг с другом существенными признаками — неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью.