Метрология. МЕТРОЛОГИЯ. Роль метрологии, стандартизации и сертификации
 Скачать 0.59 Mb.
|
|
Основные единицы: единица длины: метр – длина пути, которую проходит свет в вакууме за 1/299792458 долю секунды; единица массы: килограмм – масса, равная массе международного прототипа килограмма; единица времени: секунда – продолжительность 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения со стороны внешних полей; единица силы электрического тока: ампер – сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, создал бы между этими проводниками силу, равную 2*10-7 Н на каждый метр длины; единица термодинамической температуры: кельвин - 1/273,161 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Допускается также применение шкалы Цельсия; единица количества вещества: моль – количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде углерода-12 массой 0,012 кг; единица силы света: кандела (свеча) – сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540*1012 Гц, энергетическая сила которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/cp(стерадиан). В систему СИ введены две дополнительные единицы – радиан и стерадиан. единица плоского угла: радиан – угол между двумя радиусами окружности, длина дуги которой равна радиусу. В градусном исчислении радиан равен 57°17΄44,8΄΄; единица телесного угла: стерадиан – телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы. Дополнительные единицы СИ использованы для образования единиц угловой скорости, углового ускорения и некоторых других величин. Сами по себе радиан и стерадиан применяются в основном для теоретических построений и расчетов. Производная единица СИ – это единица производной физической величины системы единиц, образованная в соответствии с уравнениями, связывающими ее с основными единицами или с основными и уже определенными производными. Различают кратные и дольные единицы ФВ. Кратная единица – это единица ФВ, в целое число раз превышающая системную или внесистемную единицу. Например, единица длины: километр – равна 103 м, т. е. кратна метру. Дольная единица – единица ФВ, значение которой в целое число раз меньше системной или внесистемной единицы. Например, единица длины – миллиметр – равна 10-3 м, т. е. является дольной. Все основные, производные, кратные и дольные единицы являются системными. Системная единица – единица ФВ, входящая в одну из принятых систем. Единицы ФВ, не входящие ни в одну из принятых систем единиц называются внесистемными. Внесистемные единицы по отношению к единицам СИ разделяют на четыре вида: 8 допускаемые наравне с единицами СИ: например, единица массы – тонна; плоского угла – градус, минута, секунда; объема – литр и др.; допускаемые к применению в специальных областях: например, астрономическая единица, парсек, световой год – единицы длины в астрономии; диоптрия – единица оптической силы в оптике; электрон-вольт – единица энергии в физике и т. д.; временно допускаемые к применению наравне с единицами СИ: например, морская миля – в морской навигации; карат – единица массы в ювелирном деле и др. Эти единицы должны изыматься из употребления в соответствии с международными соглашениями; изъятые из употребления: например, миллиметр ртутного столба – единица давления; лошадиная сила – единица мощности и некоторые другие. В СССР Международная система (СИ) была введена в действие ГОСТ 8.417-81. В настоящее время в РФ действует межгосударственный стандарт ГОСТ 8.417-2002, который устанавливает единицы физических величин, применяемых в стране. § 5. ВИДЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН Измерением называется совокупность действий, выполняемых с помощью средств измерений для нахождения числового значения, измеряемой величины в принятых единицах измерения. Целью измерения является получение значения физической величины, характеризующей исследуемый объект Виды измерений: Прямые измерения, которые состоят в том, что искомое значение измеряемой величины находят из опытных данных с помощью средств измерения (линейки, рулетки, термометра и т. д.). Косвенные измерения, применяемые в тех случаях, когда искомую величину невозможно или очень сложно измерить непосредственно, т. е. прямым видом измерения, или когда прямой вид измерения дает менее точный результат (например, определение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения и т. д.). Совокупные измерения, сопряженные с решением системы уравнений, составляемых по результатам одновременных измерений нескольких однородных величин. Решение системы уравнений дает возможность вычислить искомую величину. Совместные измерения – одновременные измерения двух или нескольких не одноименных величин для нахождения зависимости между ними. По отношению к основным единицам измерения: Абсолютные измерения – измерения, при которых используются прямое измерение одной (иногда нескольких) основной величины и физическая константа. Относительные измерения основаны на измерении отношения измеряемой величины, играющей роль единицы, или измерений величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную. Статистические измерения, связанные с определением характеристик случайных процессов, звуковых сигналов, уровня шумов и т. д. Статические измерения, имеющие место тогда, когда измеряемая величина практически постоянна. 9 Динамические измерения, связанные с такими величинами, которые в процессе измерений претерпевают те или иные изменения. Статические и динамические измерения в идеальном виде на практике редки. Однократные измерения – это одно измерение одной величины, т. е. число измерений равно числу измеряемых величин. Практическое применение такого вида измерений всегда сопряжено с большими погрешностями, поэтому следует проводить не менее трех однократных измерений и находить конечный результат как среднее арифметическое значение. Многократные измерения характеризуются превышением числа измерений количества измеряемых величин. Преимущество многократных измерений – в значительном снижении влияний случайных факторов на погрешность измерения. 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). Метод измерения должен по возможности иметь минимальную погрешность результата измерения и способствовать исключению систематических погрешностей или переводу их в разряд случайных. Основными методами измерений являются: 1. Метод непосредственной оценки – метод измерений, в котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. 2. Методы сравнения с мерой – методы, при которых измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой: дифференциальный метод характеризуется измерением разности между измеряемой величиной и известной величиной, воспроизводимой мерой; нулевой метод, при котором разность между измеряемой величиной и мерой сводится к нулю. При этом нулевой метод имеет то преимущество, что мера может быть во много раз меньше измеряемой величины, например взвешивание на весах, когда на одном плече находится взвешиваемый груз, а на другом – набор эталонных грузов; метод замещения – метод сравнения с мерой, в котором измеренную величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Метод замещения применяется при взвешивании с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашу весов; метод совпадений – метод сравнения с мерой, в котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. § 6. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ Средство измерения (СИ) – техническое средство или комплекс технических средств, предназначенные для измерения, имеющие нормированные метрологические характеристики и воспроизводящие или хранящие одну или несколько единиц ФВ. СИ производит две операции: обнаружение ФВ и сравнение неизвестного размера с известным. Это определение содержит метрологическую суть средства измерений. Измерять с приемлемой точностью можно при условии, что средство 10 измерений обеспечивает хранение (или воспроизведение) единицы измеряемой величины практически неизменной как во времени, так и под воздействием факторов окружающей среды. Средства измерения классифицируются с учетом 2 признаков: • конструктивного решения; • практического назначения. По конструктивному решению СИ разделяются на: вещественные меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки, измерительные системы. Вещественная мера – СИ, воспроизводящие ФВ с номинальным значением, т.е. с определенным значением, обозначенным на данном средстве измерения. По степени сложности вещественные меры бывают: • однозначные – меры, воспроизводящие ФВ у одного размера, например, гиря; • многозначные – меры, воспроизводящие ФВ разных размеров, например, масштабная линейка; • набор – комплекс мер разных размеров, применяющихся в разных сочетаниях, например, набор разновесов; • магазин – набор мер, конструктивно объединенных в единое техническое устройство, предусматривающее ручное или автоматизированное соединение мер в необходимых комбинациях, например, магазин электрических соединений. Измерительный преобразователь – средство измерения, перерабатывающие измерительную информацию в форму, удобную для дальнейшего преобразования, передачи, хранения и обработки, но недоступную для непосредственного восприятия оператором, например, преобразователь давления, термопара. Измерительный прибор – средство измерения, состоящее из преобразовательных элементов и отсчетного устройства и предназначенное для извлечения измерительной информации и представления ее в форме, удобной для регистрации, например, амперметр. Измерительные установки состоят из функционально объединенных СИ и вспомогательных устройств, собранных в одном месте. В измерительных системах СИ и вспомогательные устройства территориально разобщены, но соединены каналами связи. По практическому назначению различают рабочие и метрологические СИ. Рабочие СИ предназначены для измерений в народном хозяйстве и по условиям применения среди них выделяют: • лабораторные – обладающие наибольшей точностью, чувствительностью и стабильностью; • производственные – обладающие высокой стойкостью к ударовибрационным нагрузкам, воздействию тепла, холода и повышенной влажности; • полевые - встроенные в самолеты, автомобили и т.д. § 7. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИ Техническое средство можно использовать для измерений только в том случае, если оно является средством измерений, т. е. имеет нормированные метрологические характеристики. Утвержденные Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии средства измерений регистрируются в государственном 11 Реестре средств измерений, удостоверяются сертификатами соответствия и только после этого допускаются для применения на территории РФ. В справочных изданиях принята следующая структура описания средств измерений: регистрационный номер, наименование, номер и срок действия сертификата об утверждении типа| средства измерения, местонахождение изготовителя и основные метрологические характеристики. Основные метрологические характеристики оценивают пригодность, средств измерений к измерениям в известном диапазоне с известной точностью и обеспечивают: • сравнение средств измерений между собой и достижение их взаимозаменяемости; • возможность установления точности измерений; • выбор нужных средств измерений по точности и другим характеристикам; • определение погрешностей измерительных систем и установок; • оценку технического состояния средств измерений при их поверке. На практике используют следующие метрологические характеристики средств измерений. Диапазон измерений СИ – область значений величины, в пределах которой нормированы его допускаемые пределы погрешности. Для мер это их номинальное значение, для преобразователей – диапазон преобразования. Различают нижний и верхний пределы измерений, которые выражаются значениями величины, ограничивающими диапазон измерений снизу и сверху. Градуировочная характеристика СИ – зависимость между значениями величин на входе и выходе средства измерений, полученная экспериментально. Показание – значение измеряемой величины, определяемое по он счетному устройству прибора и выраженное в единицах этой величины. Диапазон показаний – размеченная область шкалы измерительного прибора, ограниченная ее начальным и конечным значениями Пределы измерения – наибольшее или наименьшее значение диапазона измерения. Время измерения – время, которое требуется для определении значения измеряемой величины с заданной погрешностью. Разрешающая способность (абсолютная) – минимальная разность двух значений измеряемых однородных величин, которая может быть различима с помощью прибора. Быстродействие (скорость измерения) – максимальное числи измерений в единицу времени, выполняемых с нормированной погрешностью. Цена деления шкалы – разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. определяют по формуле: ∆𝑁 = 𝑋 𝐵 −𝑋 𝐻 𝑁 N – число делений шкалы, Х В - верхний предел измерения, Х Н - нижний предел измерения Длина (интервал) деления шкалы – расстояние между осями двух соседних отметок шкалы. Погрешность СИ – разность между показанием средства измерений – Хп и истинным (действительным) значением измеряемой величины – Хд. 12 Область рабочих частот (диапазон частот) – полоса частот, в пределах которой погрешность прибора, полученная при изменении частоты сигнала, не превышает допускаемого предела. Градуировочная характеристика – зависимость, определяющая соотношение между сигналами на выходе и входе средства измерения в статическом режиме. Чувствительность но измеряемому параметру – отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызвавшему его изменению измеряемой величины: S =y/x где х – измеряемая величина; у – сигнал на выходе; х – изменение измеряемой величины; у – изменение сигнала на выходе. Параметры х и у чаще всего выражены в различных единицах например, миллиметрах и вольтах, миллиметрах и секундах (как в осциллографах). Поэтому величина S может иметь, например, размерность мм/В, мм/с и т. д. Предельная чувствительность (но напряжению, току или мощности) – минимальная величина исследуемого сигнала (напряжении тока или мощности), подаваемого на вход прибора, которая необходима для получения отсчета с погрешностью, не превосходящей допустимой. Наименьшее значение изменения физической величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение, называется порогом чувствительности данного средства измерений. Собственная потребляемая мощность Р соб – мощность, потребляемая от измеряемой цепи (чем Р соб меньше, тем точнее измерения). Определенная информация о возможной инструментальной составляющей погрешности измерения должна быть каким-либо образом отражена. Такая информация содержится в указании класса точности средства измерения. Класс точности (КТ) (С) – обобщенная характеристика средств измерений, определяемая пределами допускаемых основных и дополненных погрешностей, а также другими свойствами средств измерения влияющими на точность, значения которых устанавливают в соответствующих стандартах. В стандартах есть такое примечание: «Класс точности средств измерений характеризует их свойства в отношении точности, но не является непосредственным показателем точно измерений, выполненных с помощью этих средств». ГОСТ 8.401–80 устанавливает несколько способов назначения КТ(С). При этом пределы допускаемых погрешностей нормируют и выражают в форме абсолютных, приведенных или относительных погрешностей. Способ выражения погрешностей зависит от характера изменения погрешности по диапазону измерений, назначения и условий применения СИ: если погрешность результатов измерения в данной области измерений принято выражать в единицах измерений величины или делениях шкалы, то принимается форма абсолютных погрешностей; если границы абсолютных погрешностей в пределах диапазона измерений практически постоянны, то принимается форма приведенной погрешности; если эти границы нельзя считать постоянными, то форма относительной погрешности. Обозначение классов точности на средствах измерений. Класс точности, выраженный через абсолютную погрешность, обозначают прописными буквами латинского алфавита или римскими цифрами – N, III. 13 Класс точности, выраженный через приведенную погрешность, обозначают просто числом – 2,5 (если X N представляется в единицах измеряемой величины, он означает, что γ = 2,5 %), или знаком (если X N определяется длиной шкалы. Такой КТ означает, что γ = 2,5 % длины шкалы). С = δ прив * 100. Класс точности, выраженный через относительную погрешность, обозначают числом, помещенным в круг. § 8. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ Любое измерение можно считать законченным, если найден не только результат измерения, но и оценена его погрешность. В метрологии определение «погрешность» является одним из центральных, причем в нем отражены понятия «погрешность результата измерения» и «погрешность средства измерения». Эти два понятия очень близки друг к другу и обычно их классифицируют по одинаковым признакам. Погрешностью результата измерения называют отклонение найденного значения от истинного значения измеряемой физической величины. Поскольку истинное значение измеряемой величины неизвестно, то при количественной оценке погрешности пользуются действительным значением ФВ. Это значение находится экспериментально и настолько близко к истинному значению, что для поставленной измерительной задачи может быть использовано вместо него. Погрешность средства измерения – разность между показаниями средства измерения и истинным (действительным) значением измеряемой ФВ. Она характеризует точность результатов измерений, проводимых используемым средством. Как одну из основных характеристик результата измерения, погрешность необходимо оценить. Погрешность результата измерения можно оценить с разной точностью на основании различной исходной информации. При измерениях с точной оценкой погрешности учитывают индивидуальные метрологические свойства и характеристики примененных СИ, анализируют метод измерений, контролируют условия измерений. Понятие «точной» оценки условно, так как это сделать принципиально невозможно. Если измерения ведут с приближенной оценкой погрешности, то учитывают лишь метрологические характеристики СИ. Измерения с предварительной оценкой погрешности выполняют по типовым методикам, нормативными документами, в которых указаны методы и условия измерений, типы и погрешности используемых СИ. По форме представления погрешности бывают: абсолютная, относительная и приведенная. Основная погрешность СИ – погрешность средства измерений, применяемого в нормальных условиях, т. е. в условиях, которые определены в НТД на него как нормальные. Нормальные значения влияющих величин указываются в стандартах или технических условиях на средства измерений данного вида в форме номиналов с нормированными отклонениями. Наиболее типичными нормальными условиями являются температура (20 ± 5)ºС; относительная влажность (65 ± 15)%; атмосферное давление (100 ± 4) кПа или (750 ± 30) мм рт. ст.; напряжение питания электрической сети 220 В ± 2% с частотой 50 Гц. Иногда вместо номинальных значений влияющих величин указывается нормальная область их значений. Например, влажность (30–80)%. 14 Дополнительная погрешность СИ – составляющая погрешности СИ, возникающая дополнительно к основной погрешности вследствие отклонения какой- либо из влияющих величин от нормального ее значения. По форме количественного выражения погрешности делят на абсолютные, относительные и приведенные. Абсолютная погрешность – это разница между результатом измерения X изм и истинным (действительным) значением X д измеряемой величины. = X изм - X д Относительная погрешность – это отношение абсолютной погрешности измерения к действительному значению измеряемой величины: Δ δ = ±/ X д ×100 % Приведенная погрешность – это погрешность, в которой абсолютная погрешность СИ отнесена к нормирующему значению (предел СИ) X N , постоянному во всем диапазоне измерений или его части: δ прив = Δ/ X N ×100 % По характеру проявления погрешности бывают: систематические, случайные и грубые (промахи). Систематическая погрешность – остается постоянной или закономерно изменяется при повторных измерениях одной и той же физической величины. Случайная погрешность – изменяется случайным образом (по знаку и значению) в серии повторных измерений одной и той же физической величины, проведенных с одинаковой тщательностью в одних и тех же условиях. Грубая погрешность (промах) – это случайная погрешность результата отдельного наблюдения, входящего в ряд измерений, которая для данных условий резко отличается от остальных результатов этого ряда. В зависимости от режима применения различают: статическую погрешность СИ - погрешность, возникающую при использовании измерительных средств для измерения постоянной величины; динамическую погрешность СИ – погрешность, возникающую при использовании измерительного средства для измерения переменной во времени величины. По зависимости от измеряемой величины погрешности бывают: аддитивные, мультипликативные и нелинейные. Аддитивные – не зависят от измеряемой величины. Мультипликативные – прямо пропорциональны измеряемой величине. Нелинейные – имеют нелинейную зависимость от измеряемой величины. Стабильность СИ – качественная характеристика средства измерений, отражающая неизменность во времени его метрологических характеристик. § 9. МЕТОДЫ ИСКЛЮЧЕНИЯ СИСТЕМАТИЧЕСКИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ Последовательность обработки результатов прямых многократных измерений (измерение величины с многократным наблюдением) состоит из ряда этапов: 1. Определение точечной оценки результатов измерений в виде среднего арифметического: 15 2. Вычисление отклонений от среднего арифметического; 3. Вычисление квадратов отклонений; 4. Вычисление дисперсии результата измерения: 5. Исключение грубых погрешностей и промахов по любому из критериев (Романовского, Пирсона, «трех сигм»). 7. Выбор доверительной вероятности Р из рекомендуемого ряда значений; Точность результата многократных наблюдений тем выше, чем меньше систематическая погрешность. Поэтому ее важно исключить, для чего: • устраняют источники систематических погрешностей до измерений; • определяют поправки и вносят их в результат измерения; • оценивают границы неисключенных систематических погрешностей. Обнаружение и исключение грубых погрешностей или промахов Грубая погрешность, или промах – это погрешность результата отдельного измерения, входящего в ряд измерений, которая для данных условий резко отличается от остальных результатов этого ряда. Источником грубых погрешностей нередко бывают резкие изменения условий измерения и ошибки, допущенные оператором. К ним можно отнести: – неправильный отсчет по шкале измерительного прибора, происходящий из-за неверного учета цены малых делений шкалы; – неправильная запись результата наблюдений, значений отдельных мер использованного набора, например гирь; – хаотические измерения параметров питающего СИ напряжения, например его амплитуды или частоты. Грубые погрешности, как правило, возникают при однократных измерениях и обычно устраняются путем повторных измерений. Их причинами могут быть внезапные и кратковременные изменения условий измерения или оставшиеся незамеченными неисправности в аппаратуре. Наличие таких аномальных отсчетов принято называть загрязнениями выборки. Существуют различные критерии для выявления грубых погрешностей: критерий Романовского, Шарлье, вариационный критерий Диксона, критерий «трех сигм». Наиболее простой и часто используемый на практике критерий «трех сигм». По этому критерию считается, что результат, возникающий с вероятностью p ≤ 0,003, маловероятен и его можно считать промахом. § 10. ЕДИНСТВО ИЗМЕРЕНИЙ. ЭТАЛОНЫ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ Для сопоставления результатов измерений, выполненных в разное время, с использованием различных методов и средств измерений, а также в разных по территориальному расположению местах, необходимо единство измерений. Под единством измерений понимается характеристика качества измерений, заключающаяся в том, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам воспроизведенных величин, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы. Обеспечение единства измерений - деятельность метрологических служб, направленная на достижение и поддержание единства измерений в соответствии с 16 правилами, требованиями и нормами, установленными государственными стандартами и другими нормативно-техническими документами в области метрологии. Система воспроизведения единиц физических величин и передачи размера средствам измерений Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все средства измерения одной и той же физической величины. Это достигается путем точного воспроизведения и хранения установленных единиц физических величин и передачи их размеров применяемым средствам измерения. |