Тема 1. Метрология
Основы метрологии
Метрология – наука об измерениях.
В ее задачи входят:
1. поиск методов измерения интересующих нас характеристик;
2. обеспечение сопоставимости и достоверности результатов измерений.
Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью. Средства метрологии — это совокупность средств измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих их рациональное использование.
Метрология делится на три раздела, основным из которых является «Теоретическая метрология», занимающаяся изучением фундаментальных вопросов теории измерений.
Второй раздел — «Прикладная (практическая) метрология» — посвящен изучению вопросов практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии. В ее ведении находятся все вопросы метрологического обеспечения
В заключительном разделе «Законодательная метрология» рассматривается установление обязательных технических и юридических требований по применению единиц ФВ, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства и необходимой точности измерений в интересах общества.
Греческое слово «метрология» образовано от слов «метрон» — мера и «логос».
Определение метрологии дано в Рекомендации РМГ 29-99 «ГСИ. Метрология. Основные термины и определения»:
Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью. Средства метрологии — это совокупность средств измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих их рациональное использование.
Метрология делится на три раздела, основным из которых является «Теоретическая метрология», занимающаяся изучением фундаментальных вопросов теории измерений.
Второй раздел — «Прикладная (практическая) метрология» — посвящен изучению вопросов практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии. В ее ведении находятся все вопросы метрологического обеспечения
В заключительном разделе «Законодательная метрология» рассматривается установление обязательных технических и юридических требований по применению единиц ФВ, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства и необходимой точности измерений в интересах общества.
Основное понятие метрологии — измерение.
Измерения — один из важнейших путей познания Природы человеком. Они играют огромную роль в современном обществе.
Наука, техника и промышленность не могут существовать без них. Каждую секунду в мире производятся многие миллиарды измерительных операций, результаты которых используются для обеспечения надлежащего качества и технического уровня выпускаемой продукции, обеспечения безопасной и безаварийной работы транспорта, для медицинских и экологических диагнозов и других важных целей.
Практически нет ни одной сферы деятельности человека, где бы интенсивно не использовались результаты измерений, испытаний и контроля.
Краткий очерк истории развития метрологии
Измерения имеют весьма древнее происхождение. Они относятся к истокам материальной культуры человечества. Возникновение и развитие метрологии сопровождались развитием орудий производства, что вызвало потребность иметь количественные оценки материальных ресурсов и процессов их преобразования.
В древнейшие времена люди обходились только счетом однородных объектов — голов скота, числа воинов и т.п. Такой счет не требовал введения понятия о физической величине и установления условных единиц измерения. Не было необходимости в изготовлении и использовании специальных технических средств для проведения счета.
Развитие общества привело к необходимости количественной оценки различных величин — расстояний, веса, размеров, объемов и т.д. Эту количественную оценку старались свести к счету, для чего выбирались природные и антропологические единицы.
Например, время измерялось в сутках, годах; линейные размеры — в локтях, ступнях; расстояния — в шагах, сутках пути.
В процессе дальнейшего развития промышленности были созданы специальные устройства — средства измерений, предназначенные для количественной оценки различных величин. Так появились часы, весы, меры длины и другие измерительные устройства.
Развитие науки и техники привело к использованию множества мер одних и тех же величин, используемых в различных странах. Так, например, расстояние в России измерялось верстами, а в Англии — милями. Все это существенно затрудняло сотрудничество между государствами в торговле, науке.
Потребность в унификации единиц и желание сделать их независимыми от времени и разного рода случайностей привели к разработке во Франции метрической системы мер.
Эта система строилась на основе естественной единицы — метра, равного одной сорокамиллионной части меридиана, проходящего через Париж.
За единицу массы принимался килограмм -- масса кубического дециметра чистой воды при температуре +4°С.
В марте 1791 г. Учредительное собрание Франции утвердило предложения Парижской академии наук, что создало серьезные предпосылки для международной унификации единиц ФВ.
В 1832 г. К. Гаусс предложил методику построения систем единиц ФВ как совокупности основных и производных величин. Он построил систему единиц, названную абсолютной, в которой за основу были приняты три произвольные, независимые друг от друга единицы — длины (миллиметр), массы (миллиграмм) и времени (секунда).
В 1835 г. в России был издан Указ «О системе Российских мер и весов», в котором были утверждены эталоны длины (платиновая сажень) и массы (платиновый фунт).
В 1842 г, на территории Петропавловской крепости в Санкг-Петербурге в специально построенном здании было открыто первое метрологическое учреждение России — Депо образцовых мер и весов. В нем хранились эталоны и их копии, изготавливались образцовые меры для передачи в другие города, проводились сличения российских мер с иностранными. Деятельность Депо регламентировалась «Положением о мерах и весах», которое положило начало государственному подходу к обеспечению единства измерений в стране.
В 1848 г. в России вышла первая книга по метрологии — «Общая метрология», написанная Ф.И. Петрушевским. В этой работе описаны меры и денежные знаки различных стран.
В 1875 г. семнадцать государств, в том числе и Россия, на Дипломатической конференции подписали Метрическую конвенцию, к которой в настоящее время примкнула 41 страна мира. Для этого был создано Международное бюро мер и весов (МБМВ), находящееся и в настоящее время в г. Севре близ Парижа. В нем хранятся международные прототипы ряда мер и эталоны единиц некоторых ФВ.
Очень много для развития отечественной метрологии сделал Д.И. Менделеев. Период с 1892 по 1917 г. называют менделеевским этапом развития метрологии.
В 1960 г, XI Международная конференция по мерам и весам приняла Международную систему единиц ФВ — систему СИ. В настоящее время метрическая система узаконена в более чем 124 странах мира.
Сопоставимыми называются результаты измерений, с которыми можно обращаться как с числами (складывать, вычитать). При этом сумма частей должна равняться целому.
Единство измерений - состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установленные границы с
заданной вероятностью [1]. Данное состояние обеспечивает сопоставимость результатов
измерений.
В России действует Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ).
Основными объектами ГСИ являются:
• единицы ФВ;
• государственные эталоны и общесоюзные поверочные схемы;
• методы и средства поверки средств измерений СИ;
• номенклатура и способы нормирования метрологических характеристик (МХ) СИ;
• нормы точности измерений;
• методики выполнения измерений;
• методики оценки достоверности и формы представления данных о свойствах веществ и материалов;
• требования к стандартным образцам свойств веществ и материалов;
• термины и определения в области метрологии;
• организация и порядок проведения: государственных испытаний СИ, поверки и метрологической аттестации СИ и испытательного оборудования.
Правовой основой обеспечения единства измерений в России является закон РФ
Государственное управление деятельностью по обеспечению единства измерений в Российской Федерации осуществляет Комитет Российской Федерации по стандартизации, метрологии и сертификации (Госстандарт России). В его компетенцию входят следующие
вопросы:
• межрегиональная и межотраслевая координация деятельности по обеспечению единства измерений в Российской Федерации;
- организация взаимодействия региональных и отраслевых служб с целью обеспечения единства измерений в стране в целом;
• научные исследования и обобщение практического опыта организации измерений, представление Правительству РФ предложений по единицам величин, допускаемым к применению;
• установление правил создания, утверждения, хранения и применения эталонов единиц величин;
• определение общих метрологических требований к средствам, методам и результатам измерений. Разработка стандартов на методики проведения измерений
(МВИ);
• осуществление государственного метрологического контроля и надзора.
Надзор осуществляется путем:
o утверждение типа средств измерений. Вновь разработанный прибор должен пройти метрологическую экспертизу и быть зарегистрирован.
o поверки и калибровки средств измерения, в том числе эталонов;
o надзора за состоянием и применением средств измерений,
o надзора за соблюдением метрологических правил и норм установленных в нормативных документах по обеспечению единства измерений;
• осуществление государственного контроля за соблюдением условий международных договоров Российской Федерации о признании результатов испытаний и поверки средств измерений;
• руководство деятельностью Государственной метрологической службы и иных государственных служб обеспечения единства измерений;
• участие в деятельности международных организаций по вопросам обеспечения единства измерений.
Непосредственное обеспечивает единство измерений Государственная
метрологическая служба, находящаяся в ведении Госстандарта России.
Она и включает:
• государственные научные метрологические центры;
• органы Государственной метрологической службы на территориях республик в составе Российской Федерации, автономной области, автономных округов, краев,
областей, городов Москвы и Санкт-Петербурга.В Саратовской области это Центр метрологии и стандартизации (ЦМС).
Для обеспечения единства отдельных видов измерений при Госстандарте РФ созданы:
• Государственная служба времени и частоты и определения параметров вращения
Земли (ГСВЧ);
• Государственная служба стандартных образцов состава и свойств веществ и
материалов (ГССО);
• Государственная служба стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов (ГСССД).
Основная задача метрологической службы предприятия – обеспечение единства измерения. В обязанности службы входят:
• Регистрация и отслеживание использования всего парка технических средств предприятия. На крупных передовых предприятиях для этой цели организуются базы данных и информационные системы.
• Определение периодичности поверок и составление планов поверок технических средств.
• Проведение периодических плановых поверок, а также послеремонтных поверок.
Результаты поверок протоколируются. Средства измерения признанные годными снабжаются соответствующим штампом (меткой). Указывается дата следующей поверки.
Средствами измерения, не имеющими штампов о проведении поверки, или просроченной датой следующей поверки пользоваться нельзя.
• Методическая помощь в организации контроля и измерений на всех производственных участках предприятия.
Парк технических средств – все приборы и механизмы, используемые на предприятии.
Эталоны единиц физических величин
эталон единицы величины - средство измерений, предназначенное для воспроизведения и хранения единицы величины (или кратных либо дольных значений единицы величины) с целью передачи ее размера другим средствам измерений данной величины;
Перечень эталонов не повторяет перечня принятых ФВ. Для ряда единиц эталоны не создаются. Это происходит в том случае, когда нет возможности непосредственно сравнивать соответствующие ФВ. Например, нет необходимости в эталоне площади
Эталон должен обладать по крайней мере тремя тесно связанными друг с другом признаками: неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью,
Различают следующие виды эталонов:
Международный эталон – эталон, принятый по международному
соглашению в качестве международной основы для согласования с ним
размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными
эталонами.
Первичный эталон – обеспечивает воспроизведение единицы с
наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы)
точностью.
Государственный первичный эталон – первичный эталон, признанный
решением уполномоченного на то государственного органа в качестве
исходного на территории государства.
Вторичный эталон – эталон, получающий размер единицы
непосредственно от первичного эталона данной единицы.
Эталон сравнения – эталон, применяемый для сличений эталонов,
которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно
сличены друг с другом.
Рабочий эталон – эталон, предназначенный для передачи размера
единицы рабочим средствам измерений.
Рабочее средство измерения - прибор или оборудование используемый для измерений на производстве.
Эталонное средство измерения - прибор или оборудование используемый только для поверки рабочих средств измерений и эталонов.
Эталонная база страны – совокупность государственных первичных и вторичных эталонов, являющаяся основой обеспечения единства измерений в стране.
Виды измерений
По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения разделяются на:
статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени;
динамические, в процессе которых измеряемая величина изменяется и является непостоянной во времени.
Статическими измерениями являются, например, измерения размеров тела, постоянного давления, электрических величин в цепях с установившемся режимом, динамическими - измерения пульсирующих давлений, вибраций, электрических величин в условиях протекания переходного процесса.
По способу получения результатов измерений их разделяют на:
прямые;
косвенные;
совокупные;
совместные.
Прямые - это измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных - по показаниям СИ
При прямых измерениях экспериментальным операциям подвергают измеряемую величину, которую сравнивают с мерой непосредственно или же с помощью измерительных приборов, градуированных в требуемых единицах. Примерами прямых служат измерения длины тела линейкой, массы при помощи весов, температуры – термометром и др.
Косвенными называются измерения, при которых значение измеряемой величины находят на основании результатов прямых измерений других ФВ, функционально связанных с искомой величиной.
Совокупные - это производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомую величину определяют решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.
Совместные - это производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимостей между ними. Пример: построение зависимости – «кривой напряженно-деформированного состояния» сжатой трубобетонной колонны.
Классификация средств измерений
Классификация измерительных приборов. Для учета всех особенностей многообразных измерительных приборов применяют классификацию по различным признакам. По форме индикации измеряемой величины различают измерительные приборы;
• показывающие, которые допускают только отсчиты-ванис показаний измеряемой величины, например стрелочный или цифровой вольтметр;
• регистрирующие, предусматривающие регистрацию показаний на том или ином носителе информации, например на бумажной ленте. Регистрация может производиться в аналоговой или цифровой форме. Различают самопишущис.и печатающие приборы.
По методу преобразования измеряемой величины различают приборы прямого, компенсационного (уравновешивающего) и смешанного преобразования.
По назначению измерительные приборы делятся на амперметры, вольтметры, омметры, термометры, гигрометры и т.д.
По форме преобразования используемых измерительных сигналов приборы подразделяют на аналоговые и цифровые.
Аналоговые приборы это приборы, показания или выходной сигнал которых является непрерывной функцией изменения измеряемой величины. Следует отметить, что большинство измерительных приборов являются линейными,
Цифровые приборы — это приборы, принцип действия которых основан на квантовании измеряемой или пропорциональной ей величины. Показания таких приборов представлены в цифровой форме.
Измеряемая физическая величина Х воздействует на первичный измерительный преобразователь (ПП), имеющий коэффициент преобразования Кпп. Он преобразует величину Х в электрический сигнал, в качестве которого используется главным образом напряжение. В рассматриваемом случае и = КцпХ. Это напряжение в свою очередь поступает на масштабный измерительный
Измерительные преобразователи классифицируются по ряду признаков.
По местоположению в измерительной цепи преобразователи делятся на первичные и промежуточные. Первичный преобразователь — это такой ИП, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, т.е. он является первым в измерительной цепи средством измерений. Промежуточные преобразователи располагаются в измерительной цепи после первичного. Зачастую конструктивно обособленные первичные измерительные преобразователи называют датчиками.
По характеру преобразования входной величины ИП делятся на линейные и нелинейные. Линейный преобразователь — это ИП, имеющий линейную связь между входной и выходной величинами. Их важной разновидностью является масштабный ИП, предназначенный для изменения размера величины или измерительного сигнала в заданное число раз. У нелинейных ИП связь между входной и выходными величинами нелинейная,
По виду входных и выходных величин ИП делятся на:
• аналоговые, преобразующие одну аналоговую величину в другую аналоговую величину;
• аналого-цчфровые (АЦП), предназначенные для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код;
• цифроанадоговые (ЦАП), предназначенные для преобразования цифрового кода в аналоговую величину.
Результат измерения представляет собой значение величины, полученное путем измерения.
Понятие «погрешность» — одно из центральных в метрологии, где используются понятия «погрешность результата измерения» и «погрешность средства измерения*.
Погрешность результата измерения — это отклонение результата измерения Хизм от истинного (или действительного) значения Хист измеряемой величины:
=Хизм- Хист.
Погрешность средства измерения — разность между показанием СИ и истинным (действительным) значением измеряемой ФВ. Она характеризует точность результатов измерений, проводимых данным средством,
Эти два понятия во многом близки друг к другу и классифицируются по одинаковым признакам,
По характеру проявления погрешности делятся на:
случайные,
систематические,
прогрессирующие
промахи. или грубые погрешности.
Деление погрешности на составляющие было введено для удобства обработки результатов измерений исходя из характера их проявления.
Изменение погрешности во времени представляет собой нестационарный случайный процесс.
Случайная погрешность — составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) в серии повторных измерений одного и того же размера ФВ, проведенных с одинаковой тщательностью в одних и тех же условиях. В появлении таких погрешностей не наблюдается какой-либо закономерности, они обнаруживаются при повторных измерениях одной и той же величины в виде некоторого разброса получаемых результатов.
Случайные погрешности неизбежны, неустранимы и всегда присутствуют в результате измерения. Описание случайных погрешностей возможно только на основе теории случайных процессов и математической статистики,
Случайные погрешности нельзя исключить из результатов измерений путем введения поправки, однако их можно существенно уменьшить, увеличив число наблюдений. Поэтому для получения результата, минимально отличающегося от истинного значения измеряемой величины, проводят многократные измерения требуемой величины с последующей математической обработкой экспериментальных данных..
Систематическая погрешность — составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно меняющаяся при повторных измерениях одной и той же ФВ. Их отличительный признак заключается в том, что они могут быть предсказаны, обнаружены и благодаря этому почти полностью устранены введением соответствующей поправки.
Прогрессирующая (дрейфовая) погрешность — это непредсказуемая погрешность, медленно меняющаяся во времени. Отличительные особенности прогрессирующих погрешностей:
• они могут быть скорректированы поправками только в данный момент времени, а далее вновь непредсказуемо изменяются;
• их изменение во времени представляет собой нестационарный случайный процесс.
Грубая погрешность (промах) — это случайная погрешность результата отдельного наблюдения, входящего в ряд измерений; для данных условий она резко отличается от остальных результатов этого ряда.
По способу выражения различают абсолютную, относительную и приведенную погрешности.
Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой величины.
=Хизм- Хист.
Однако она не может в полной мере служить показателем точности измерений, так как одно и то же ее значение, например = 0,05 мм при Х = 100 мм, соответствует достаточно высокой точности измерений, а при Х = 1 мм — низкой. Поэтому и вводится понятие относительной погрешности.
Относительная погрешность есть отношение абсолютной погрешности измерения к действительному или измеренному значению измеряемой величины:
= / Хист
Эта наглядная характеристика точности результата измерения не годится для нормирования погрешности СИ,-так как при изменении значений Хист принимает различные значения вплоть до бесконечности при Хист = 0. В связи с этим для указания и нормирования погрешности СИ используется еще одна разновидность погрешности — приведенная. -
Приведенная погрешность — это относительная погрешность, в которой абсолютная погрешность СИ отнесена к условно принятому значению ХN, постоянному во всем диапазоне измерений или его части:
= / ХN =(Хизм- Хист )/ ХN
Условно принятое значение ХN называют нормирующим. Чаще всего за него принимают верхний предел измерений данного СИ, применительно, к которым и используется главным образом понятие «приведенная погрешность».
В зависимости от места возникновения различают
инструментальные, методические и субъективные погрешности.
Инструментальная погрешность обусловлена погрешностью применяемого СИ. Иногда эту погрешность называют аппаратурной.
Методическая погрешность измерения обусловлена:
• отличием принятой модели объекта измерения от модели, адекватно описывающей его свойство, которое определяется путем измерения;
• влиянием способов применения СИ. Это имеет место, например, при измерении напряжения вольтметром с конечным значением внутреннего сопротивления. В таком случае вольтметр шунтирует участок цепи, на котором измеряется напряжение, и оно оказывается меньше, чем было до присоединения вольтметра;
• влиянием алгоритмов (формул), по которым производятся вычисления результатов измерений (ультразвуковой метод определения прочности бетона);
• влиянием других факторов, не связанных со свойствами используемых СИ.
Отличительной особенностью методических погрешностей является то, что они не могут быть указаны в документации на используемое СИ, поскольку от него не зависят; их должен определять оператор, в каждом конкретном случае. В связи с этим оператор, должен четко различать фактически измеряемую им величину и величину, подлежащую измерению.
Субъективная (личная) погрешность измерения обусловлена погрешностью отсчета оператором показаний по шкалам СИ, диаграммам регистрирующих приборов. Она вызвана состоянием оператора, его положением во время работы, несовершенством органов чувств, эргономическими свойствами СИ.
По зависимости абсолютной погрешности от значений измеряемой величины различают погрешности: аддитивные (а), не зависящие от измеряемой величины; мультипликативные (м), которые прямо пропорциональны измеряемой величине, и нелинейные н, имеющие нелинейную зависимость от измеряемой величины.
Эти погрешности применяют в основном для описания метрологических характеристик СИ. Такое их разделение весьма существенно при решении вопроса о нормировании и математическом описании погрешностей СИ.
По влиянию внешних условий различают основную и дополнительную погрешности.
Основной называется погрешность СИ, определяемая в нормальных условиях его применения. Для каждого средства оговариваются условия эксплуатации, при которых нормируется его погрешность.
Дополнительной называется погрешность СИ, возникающая вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от нормального ее значения.
В зависимости от влияния характера изменения измеряемых величин погрешности СИ делят на статические и динамические.
Статической называется погрешность средства, применяемого для измерения ФВ, принимаемой за неизменную,
Динамической — погрешность СИ, возникающая дополнительно при измерении переменной ФВ и обусловленная несоответствием его реакции на скорость (частоту) изменения измеряемого сигнала.
 Поверка - совокупность операций, выполняемых органами государственной
метрологической службы (другими уполномоченными на то органами, организациями) с
целью определения и подтверждения соответствия средства измерений установленным
техническим требованиям
Эталоны так же нуждаются в периодической поверке. Для этого используются
эталоны более высокого уровня. Для каждой основной величины существует
государственный (национальный) эталон и специальная методика поверок, позволяющая «передать» характеристики измеряемой величины через цепочку промежуточных эталонов до рабочего средства измерения.
|
Скачать 1.02 Mb.