Конспект по дисциплине метрология БГУИР. Метрология и измерения Содержание
 Скачать 5.83 Mb.
|
|
Конспект лекций по дисциплине метрология и измеренияСодержание
Раздел 1 Основы метрологии 1.1 Общие сведения о метрологии и измерениях. Основные термины и определения Метрология – наука об измерениях и способах достижения требуемой точности этих измерений. Метрология бывает законодательная и теоретическая. Законодательная метрология решает вопросы, относящиеся к компетенции государства и его органов. Теоретическая занимается вопросами единиц физических величин, разработки эталонов и СИ, а также методов измерения и методов обработки результатов. Термины и определения даются по ГОСТ 18263. Измерения – нахождение значений физических величин опытным путём с помощью специальных технических средств – СИ (средств измерения). СИ – технические средства, предназначенные для измерения и обладающие нормированными метрологическими характеристиками. Единство измерений – такое их состояние, когда результаты этих измерений выражены в узаконенных единицах физических величин, а результаты этих измерений известны с заданной доверительной вероятностью. Метод измерения – совокупность приёмов применения СИ и методов обработки результатов измерений. Существует две разновидности методов измерения: 1 Метод непосредственной оценки (прямого преобразования). 2 Метод сравнения, в процессе которого измеряемая величина сравнивается с величиной, значение которой известно. Метод сравнения имеет несколько модификаций (называемых методами): – нулевой метод; – дифференциальный метод, при котором разницу между известной величиной и измеряемой измеряют дополнительно; – метод замещения, при котором измеряемая величина замещается величиной, значение которой известно; – метод совпадений, при котором добиваются определенного соотношения между измеряемой и известной величинами. Погрешность измерений – отклонение результата измерений от действительного значения. Δ=x-Q (1.1) Так как истинное значение неизвестно, в формулу (1.1) вместо Q подставляют т.н. действительное значение, которое настолько приближается к истинному, что в данных условиях может быть принято вместо него. Формула (1.1) дает выражение погрешности в форме абсолютной. Относительная погрешность δ=1/Q*100 % (1.2) Приведем классификацию составляющих погрешность результата измерения по характеру проявления: Систематическая погрешность – составляющая, остающаяся неизменной или изменяющаяся закономерно при повторных измерениях одной и той же величины. Случайная – составляющая, изменяющаяся случайно при повторных измерениях одной и той же величины. Грубая – погрешность, которая превышает ожидаемую. По причине возникновения: – методическая – составляющая, обусловленная несовершенством метода измерений и методов обработки их результатов. – аппаратурная или инструментальная – обусловлена погрешностью применяемых СИ, применяемых в процессе измерения. – внешняя – возникающая за счет отклонения 1-го или нескольких влияющих факторов от нормальных значений. – субъективная – связанная с субъективными особенностями оператора. 1.2 Метрологическое обеспечение измерений Роль и значение метрологического обеспечения народного хозяйства были подчеркнуты во введении. Основные положения метрологического обеспечения разработки, производства, испытаний и эксплуатации продукции, научных исследований и других видов деятельности во всех отраслях народного хозяйства регламентируются в настоящее время ГОСТ 1.25-76. Рассмотрим эти положения и конкретизируем их применительно к метрологическому обеспечению измерений. 1.2.1 Основные положения метрологического обеспечения Метрологическое обеспечение — это установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений. Таким образом, конечной целью метрологического обеспечения (МО) является обеспечение единства и требуемой точности измерений в общегосударственном масштабе. При этом под единством измеренийпонимается такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах (SI), а погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Как видно из приведенного определения, МО имеет научную, техническую и организационную основы. Научной основойМО является метрология, а техническая основавключает следующее: – систему государственных эталонов единиц физических величин, обеспечивающую воспроизведение единиц с наивысшей точностью; – систему передачи размеров единиц физических величин от эталонов всем СИ; – систему разработки, производства и выпуска рабочих СИ, обеспечивающих определение с требуемой точностью характеристик продукции, технологических процессов и других объектов; – систему обязательных государственных испытаний СИ, предназначенных для серийного или массового производства; – систему обязательной государственной и ведомственной поверки или метрологической аттестации СИ, обеспечивающую единообразие СИ при их изготовлении, эксплуатации и ремонте; – систему стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов, достоверными данными обеспечивающую научные исследования, разработку конструкций изделий и технологических процессов их изготовления и т. д.; – систему разработки, стандартизации и аттестации методик выполнения измерений. Применительно к МО измерений существующая система МО опирается на комплекс стандартов ГСИ. Основными объектами стандартизации ГСИ являются термины и определения в области метрологии, единицы физических величин, нормы точности измерений и формы представления результатов измерений, номенклатура нормируемых метрологических характеристик СИ, методики выполнения измерений, государственные эталоны и общесоюзные поверочные схемы, а также методы и средства поверки СИ, организация и порядок проведения государственных испытаний, поверки и метрологической аттестации СИ и т. д. Организационной основойМО является метрологическая служба страны. Рассмотрим структуру и основные задачи метрологической службы применительно к средствам и методикам выполнения измерений. 1.2.1 Метрологическая служба Республики Беларусь Под метрологической службой(МС) понимается сеть государственных и ведомственных метрологических органов и их деятельность, направленная на обеспечение единства измерений и единообразия СИ в стране. Сеть государственных метрологических органов называют Государственной МС, а сеть метрологических органов отдельного ведомства – ведомственной МС. 1.3 Систематические погрешности Все способы обнаружения и оценки систематических погрешностей можно подразделить на 2 группы: 1 Теоретические, если известна аналитическая зависимость и соответствующие исходные данные. 2 Экспериментальные, если невозможно применить теоретические. На этапе подготовки измерительного эксперимента рекомендуется следующие способы уменьшения (исключения) систематических погрешностей: 1) правильно выбрать СИ и метод; 2) правильно располагать СИ, чтобы свести к минимуму их взаимные влияния и внешние условия; 3) тщательно осуществлять начальную установку приборов; 4) применять соответствующие средства измерения; 5) применять только предварительно поверенные приборы; В процессе измерения: 1) метод замещения 2) способ противопоставления по знаку 3) рандомизации, который заключается в переводе систематических погрешностей в разряд случайных. На этапе обработки результатов измерений известные по знаку и значению систематические погрешности исключаются путём введения поправки или поправочного множителя. В лабораторной работе с учетом несоответствия шкалы рекомендуется вводить поправочный множитель. Исключенные остатки систематических погрешностей, которые удалось оценить с помощью доверительного интервала, затем суммируются между собой. 1.3.1 Оценка случайных погрешностей прямых измерений с многократными измерениями   – СКО ряда наблюдений и характеризует разброс относительно ряда;  – СКО среднего арифметического характеризует разброс относительно среднего арифметического. Переходим к интервальной оценке  t – коэффициент Стьюдента. t=f(n,p) В основном применяется p=0.95. При числе наблюдений n>30 t практически не изменяется от числа наблюдений  После оценки СКО ряда обычно проводят проверку результатов на наличие в них значений с грубой погрешностью. Критерий грубой погрешности:  При необходимости оценки неисключенных остатков систематические погрешности суммируются с оценкой случайной погрешности.  1.3.2 Обработка результатов косвенных измерений Q=f(x1,x2,...,xm) Погрешности косвенных измерений обусловлены наличием погрешностей в прямых. Для оценки вкладов погрешностей прямых измерений в косвенные находят так называемые частные погрешности  Первоначально оценивают сумму неисключенных частных погрешностей по формуле геометрического суммирования. Для оценки СКО для косвенных измерений используют формулу  В случае, если различные аргументы (если результаты измерения различных аргументов) соотв. Разным распределениям нужно искать компиляцию этих вероятность. Коэффициент t одинаковый для всех теоретических распределений. В случае различного числа наблюдений ищут т.н. эффективное число наблюдений. 1.3.3 Оценка погрешностей измерений с однократными наблюдениями При оценке погрешностей с однократными наблюдениями проводится: – анализ составляющих погрешности результата измерения по источникам возникновения. – исключение систематических погрешностей. – оценивается СКО результата измерения. – помощью коэффициента Стьюдента находятся доверительные границы случайной погрешности. Для однократных измерений приняты следующие значения t: при P=0.95 t=2; при P=0.99 t=2.6. – производится оценка доверительных границ ожидаемой погрешности измерения. Для прямых однократных измерений рекомендуется вычислять отношение Δ= (по аналогии с многократными наблюдениями). Раздел 2 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ 2.1 Общие вопросы электрических измерений 2.1.1 Закон РБ «Об обеспечении единства измерений». Его основные положения от 5 сентября 1995 г. N 3848-XII В настоящем Законе используются следующие основные понятия: Эталон единицы величины – техническое средство или их совокупность, устанавливающие, воспроизводящие и (или) хранящие единицу величины, а также кратных или дольных значений этой единицы, в целях передачи размера единицы другим средствам измерений (нижестоящих). Поверка средств измерений – совокупность средств измерений, выполняемых с целью определения и подтверждения соответствия СИ установленным требованиям. Калибровка – совокупность операций устанавливающих в заданных условиях соотношение между значением величины, полученной с помощью данного измеряемого оборудования и соответствующим значением величины, воспроизводимым эталоном. Документы по обеспечению единства измерений – технические нормативно-правовые акты (ТНПА). Система обеспечения единства измерений РБ – согласованная организация и научно – техническая система, представляющая совокупность документов по ОЕИ, измерительного оборудования, метрологических служб, применение и деятельность которых направлена на достижение единства и требуемой точности измерений. Целью ОЕИ является защита граждан и интересов государства от последствий неточных и неправильных измерений, а также получение объективной, достоверной и сопоставимой измеряемой информации, используемой при принятии решений: охрана здоровья и наследственности, охрана окружающей среды, повышение конкурентоспособности товаров и услуг, рациональное использование всех видов ресурсов, обеспечение национальной безопасности, при решении вопросов экономических связей. Основными принципами ОЕИ являются: – применение международных системных единиц; – использование национальных эталонов, признанных на международном уровне; – прослеживаемость измерений к единицам СИ; – доверие к компетентности аккредитованных поверочных калибровочных и испытательных лабораторий и результатов выполненных ими измерений; – гармонизация научных требований с требования международных организаций; – функционирование метрологической инфраструктуры, признаваемой на международном уровне. Сфера действия законодательства метрологии охватывает все виды работ, связанных с безопасностью, экономическими отношениями и безопасностью страны. СИ, находящиеся в эксплуатации, применяемые для определения значения величины, их соотношений или функций, должны быть отградуированы, соответствовать условиям эксплуатации, требуемой точности и обеспечивать прослеживаемость. Измерения, осуществляемые в сфере законодательной метрологии должны выполняться по методикам выполнения измерений, которые прошли процедуру метрологического подтверждения пригодности. 2.1.2 Полномочия Комитета по стандартизации, метрологии и сертификации при Совете Министров РБ (Госстандарта) – реализация единой государственной политики в области ОЕИ; – осуществляет координацию на государственном и региональном уровнях, координацию деятельности по вопросам ОЕИ; – решают вопросы теоретической и законодательной метрологии с предоставлением соответствующих предложений руководства республики; – обеспечение государственной метрологической службы и осуществляет методическое руководство ведомственными метрологическими службами и надзор за ними; – разрабатывает и утверждает государственные эталоны физической величины; – устанавливает порядок государственного надзора и контроля; – утверждает типы средств измерений, ведет реестр; – определяет требования, как к самим СИ, так и к методам и методикам; – утверждает порядок освидетельствования на техническую компетентность юридических лиц, а также частных предприятий, осуществляющих своя деятельность в сфере обращения СИ; – координирует деятельность по участию государственных организаций во взаимном признании эталонов единым, сертификатов калибровки и измерений, заключает международные договоры по вопросам ОЕИ; – применяет в пределах компетентности меры воздействия, предусмотренные законом ОЕИ и другими законодательными актами. В Республике Беларусь действуют: 1) государственная метрологическая служба (Госстандарт РБ и его органы), куда входит институт метрологии; 2) лаборатории: поверочные, калибровочные, испытательные; 3) метрологические службы республиканских органов государственного управления; 4) государственные организации, подчиненные Совмину и местным распорядительным и исполнительным органам; 5) метрологические службы юридических лиц; 6) межотраслевые метрологические службы. Госстандарт осуществляет государственный метрологический надзор и контроль. Метрологический надзор – контроль по проверке соблюдения метрологических требований. Он включает надзор по: 1) соблюдению требований; 2) выпуску, состоянию и применению СИ и измеряемого оборудования; 3) за деятельностью юридических и других лиц и их работе в области ОЕИ; 4) количеству товаров отчуждаемых при совершении торговых операций. Метрологический контроль включает виды деятельности по определению фактических (действительных) значений метрологических характеристик контролируемого объекта. Государственный метрологический контроль включает: – утверждает тип СИ; – поверку эталонов и СИ; – калибровку эталонов и отдельных групп измеренных элементов; – метрологическую аттестацию единичных экземпляров СИ; – метрологическое подтверждение пригодности методик выполнения измерений. Юридические лица осуществляют метрологический контроль: – за соблюдением метрологических требований; – за обращением средств измерения; – за применением, ремонтом; – применением МВИ; – за количеством фасованных товаров в упаковках любого вида при их изготовлении, фасовании и поставке. 2.1.3 Классификация СИ и их характеристики Все СИ по их метрологическому назначению, т.е. по роли в ОЕИ могут подразделяться на эталоны и рабочие (образцовые) эталоны СИ. Образцовые СИ предназначены для передачи размера физической величины от эталона к рабочим СИ. Рабочие СИ предназначены для определения действительных значений измеряемых величин. По техническому назначению различают: – меры – СИ, предназначенные для воспроизведения нескольких значений физической величины; – измерительные приборы – СИ, которые предназначены для получения измерительной информации в форме доступной для восприятия наблюдателя; – измерительные преобразователи – СИ, которые предназначены для преобразования, хранения измерительной информации в формах, исключая доступную для восприятия наблюдателя; – измерительные установки – совокупность СИ, которая позволяет получать информацию об объекте измерения в меняющихся условиях; – информационно – измерительные системы – совокупность СИ, вспомогательных устройств, вычислительных устройств, для получения измерительной информации, ее обработки, выдачи потребителю в требуемой форме. 2.1.4 Основные характеристики средств измерения электрических величин Различают две группы характеристик СИЭВ: – технические характеристики, т.е. знание которые необходимо для определения возможности измерения данной величины в данных условиях; – метрологические характеристики – знания, которые необходимы для оценки результата измерений и его погрешности; – область применения, включая диапазоны возможного изменения трех групп величин: а) измеряемых; б) влияющих; в) неизмеряемых; При выходе одной или нескольких величин за область применения, измерения становится либо невозможным, либо его погрешность очень высока. К другим техническим характеристикам относятся характеристики надежности, условий применения и др. Метрологические характеристики: – чувствительность Ѕ=∆α∕∆x , где ∆α- изменение показания прибора. Вызвавшая это изменение величина C=1∕Ѕ Ѕ0 – относительная чувствительность Ѕ0=∆α∕(∆x∕x); – входной импеданс – характеристика, которая характеризует влияние СИ на объект измерений при его подключении; – выходной импеданс – характеризует реакцию СИ на подключение к нему фиксированной нагрузки; – вариация показаний; 5) динамические характеристики – быстродействие СИ и его способность к измерению быстроизменяющихся во времени величин; 6) характеристики точности СИ – различают основную погрешность СИ, которую оно имеет в нормальных условиях, и дополнительную, которая появляется в дополнение к основной при выходе условий за пределы нормальных; 7) существует еще ряд характеристик, указывающих на форму и характер представляемой ими информации. Пределы этих метрологических характеристик (значений) устанавливаются несколькими способами. Погрешности могут быть выражены в виде предела относительной погрешности, в виде предела абсолютной погрешности. Приведенная погрешность прибора: γn=∆n∕xN ·100 % Кроме того предел погрешности может быть выражен посредством формулы для расчета этого предела ∆n=±(a+bx), где a – аддитивная составляющая, bx – мультипликативная составляющая; δn=±[ c+ d( |xn∕x| - 1) ], где c – характеризует аддитивную составляющую; d – характеризует мультипликативную составляющую; xn – отношение предела измерения на наибольший из пределов. В общем случае предел погрешности может выражаться многочленом. Для различных результатов измерений могут использоваться различные формулы. В общем случае все характеристики СИ могут обобщенно нормироваться как класс точности. Для каждого из классов точности установлены пределы для всех основных характеристик СИ. В простейших случаях обозначение класса точности в виде цифры означает предел погрешности: 0.5 – предел γn (шкала прибора неравномерная); 2.5 – предел относительной погрешности; если предел погрешности нормируется в виде формулы c ∕d γn≤1.5 % (нормирующее значение по ГОСТ 8- 401) ∆n =∆n· γn 2.1.5 Обобщенные структурные схемы СИЭВ 1 Метод прямого преобразования: П1 П2 Пn ОУ x x1 xn  OУ – отсчетное устройство Чувствительность этого прибора равна произведению чувствительностей. |