Впг. Метрология 2. Теоретические основы метрологии составитель проф.,д т. н. Беляева М. А
 Скачать 0.52 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский экономический университет имени Г.В. Плеханова» ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ © составитель: проф.,д.т.н. Беляева М.А. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ МЕТРОЛОГИИ Метрология как область практической деятельности зародилась в древности. На всём пути развития человеческого общества измерения были основой отношений людей между собой, с окружающими предметами, природой. При этом вырабатывалась единые представления о размерах, формах, свойствах предметов и явлений, а также правила и способы их сопоставления. Наименование единиц измерения и их размеры появлялись в давние времена чаще всего в соответствии с возможностью применения единиц и их размеров без специальных устройств, т.е. создавались с ориентацией на те единицы, что были «под руками и ногами». В России в качестве единиц длины были «пядь», «локоть». Для поддержания единства установленных мер ещё в древние времена создавались эталонные меры. К ним относились бережно: в древности они хранились в храмах, церквях как наиболее надёжных местах для хранения ценных предметов. По мере развития промышленного производства повышались требования к применению и хранению мер, усиливалось стремление к унификации размеров единиц физических величин. Долгое время метрология была в основном описательной наукой о различных мерах и соотношениях между ними. Но в процессе развития общества роль измерений возросла, и с конца прошлого века благодаря прогрессу физики метрология поднялась на качественный новый уровень. Большую роль в становлении метрологии в России сыграл Д. И. Менделеев, руководивший отечественной метрологией в период с 1892 по 1907 г. «Наука начинается… с тех пор, как начинают измерять», - в этом научном кредо великого учёного выражен, по существу, важнейший принцип развития науки, который не утратил актуальности и в современных условиях. Развитие естественных наук привело к появлению все новых и новых средств измерений, а они, в свою очередь, стимулировали развитие наук, становясь всё более мощным средством исследования. Так, повышение точности измерений плотности воды привело в 1932 г. к открытию тяжёлого изотопа водорода – дейтерия. Подобных примеров, которые подтверждают роль измерений как инструмента познания, множество. Здесь уместно привести высказывание крупнейшего русского физика и электротехника Б. С. Якоби: «Искусство измерений являются могущественным оружием, созданным человеческим разумом для проникновения в законы природы и подчинения её сил нашему господству». РОЛЬ ИЗМЕРЕНИЙ И ЗНАЧЕНИЕ МЕТРОЛОГИИ Измерения являются одним из важнейших путей познания природы человеком. Они дают количественную характеристику окружающего мира, раскрывая человеку действующие в природе закономерности. Все отрасли техники не могли бы существовать без развернутой системы измерений, определяющих как все технологические процессы, контроль и управление ими, так и свойства и качество выпускаемой продукций. Отраслью науки, изучающей измерения, является метрология. Слово "метрология" образовано из двух греческих слов: метрон - мера и логос - учение. Дословный перевод слова "метрология" - учение о мерах. Долгое время метрология оставалась в основном описательной наукой о различных мерах и соотношениях между ними. С конца прошлого века благодаря прогрессу физических наук метрология получила существенное развитие. Большую роль в становлении современной метрологии как одной из наук физического цикла сыграл Д. И. Менделеев, руководивший отечественной метрологией в период 1892 - 1907 гг. Метрология в ее современном понимании - наука об измерениях, методах, средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ 1. По характеристике точности измерения делятся на равноточные и неравноточные. Равноточными измерениями физической величины называется ряд измерений некоторой величины, сделанных при помощи средств измерений (СИ), обладающих одинаковой точностью, в идентичных исходных условиях. Неравноточными измерениями физической величины называется ряд измерений некоторой величины, сделанных при помощи средств измерения, обладающих разной точностью, и (или) в различных исходных условиях. 2. По количеству измерений измерения делятся на однократные и многократные. Однократное измерение – это измерение одной величины, сделанное один раз. Однократные измерения на практике имеют большую погрешность, в связи с этим рекомендуется для уменьшения погрешности выполнять минимум три раза измерения такого типа, а в качестве результата брать их среднее арифметическое. Многократные измерения – это измерение одной или нескольких величин, выполненное четыре и более раз. Многократное измерение представляет собой ряд однократных измерений. Минимальное число измерений, при котором измерение может считаться многократным, – четыре. Результатом многократного измерения является среднее арифметическое результатов всех проведенных измерений. При многократных измерениях снижается погрешность. 3. По типу изменения величины измерения делятся на статические и динамические. Статические измерения – это измерения постоянной, неизменной физической величины. Примером такой постоянной во времени физической величины может послужить длина земельного участка. Динамические измерения – это измерения изменяющейся, непостоянной физической величины. 4. По предназначению измерения делятся на технические и метрологические. Технические измерения – это измерения, выполняемые техническими средствами измерений. Метрологические измерения – это измерения, выполняемые с использованием эталонов. 5. По способу представления результата измерения делятся на абсолютные и относительные. Абсолютные измерения – это измерения, которые выполняются посредством прямого, непосредственного измерения основной величины и (или) применения физической константы. Относительные измерения – это измерения, при которых вычисляется отношение однородных величин, причем числитель является сравниваемой величиной, а знаменатель – базой сравнения (единицей). Результат измерения будет зависеть от того, какая величина принимается за базу сравнения. 6. По методам получения результатов измерения делятся на прямые, косвенные, совокупные и совместные. Прямые измерения – это измерения, выполняемые при помощи мер, т. е. измеряемая величина сопоставляется непосредственно с ее мерой. Примером прямых измерений является измерение величины угла (мера – транспортир). Косвенные измерения – это измерения, при которых значение измеряемой величины вычисляется при помощи значений, полученных посредством прямых измерений, и некоторой известной зависимости между данными значениями и измеряемой величиной. Совокупные измерения – это измерения, результатом которых является решение некоторой системы уравнений, которая составлена из уравнений, полученных вследствие измерения возможных сочетаний измеряемых величин. Совместные измерения – это измерения, в ходе которых измеряется минимум две неоднородные физические величины с целью установления существующей между ними зависимости. ПОНЯТИЕ ВИДОВ И МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЙ Измерение - процесс нахождения значения физической величины опытным путем с помощью средств измерения. Результатом процесса является значение физической величины Q = qU , где q - числовое значение физической величины в принятых единицах; U - единица физической величины. Значение физической величины Q, найденное при измерении, называют действительным. Принцип измерений - физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений. Например, измерение массы тела при помощи взвешивания с использованием силы тяжести, пропорциональной массе, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта. Метод измерений - совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Средствами измерений (СИ) являются используемые технические средства, имеющие нормированные метрологические свойства. Существует различные виды измерений. Классификацию видов измерения проводят, исходя из характера зависимости измеряемой величины от времени, вида уравнения измерений, условий, определяющих точность результата измерений и способов выражения этих результатов. • По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения выделяют статические и динамические измерения. Статические - это измерения, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени. Такими измерениями являются, например, измерения размеров изделия, величины постоянного давления, температуры и др. Динамические - это измерения, в процессе которых измеряемая величина изменяется во времени, например, измерение давления и температуры при сжатии газа в цилиндре двигателя. • По способу получения результатов, определяемому видом уравнения измерений, выделяют прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения. Прямые - это измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. Прямые измерения можно выразить формулой Q = X, где Q - искомое значение измеряемой величины, а X - значение, непосредственно получаемое из опытных данных. Примерами таких измерений являются: измерение длины линейкой или рулеткой, измерение диаметра штангенциркулем или микрометром, измерение угла угломером, измерение температуры термометром и т.п. Косвенные - это измерения, при которых значение величины определяют на основании известной зависимости между искомой величиной и величинами, значения которых находят прямыми измерениями. Таким образом, значение измеряемой величины вычисляют по формуле Q = F(x1, x2 ... xN), где Q - искомое значение измеряемой величины; F - известная функциональная зависимость, x1, x2, … , xN - значения величин, полученные прямыми измерениями. Примеры косвенных измерений: определение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров, нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения, измерение среднего диаметра резьбы методом трёх проволочек и т.д. Совокупные - это такие измерения, при которых значения измеряемых величин определяют по результатам повторных измерений одной или нескольких одноименных величин при различных сочетаниях мер или этих величин. Значение искомой величины определяют решением системы уравнений, составляемых по результатам нескольких прямых измерений. Примером совокупных измерений является определение массы отдельных гирь набора, т.е. проведение калибровки по известной массе одной из них и по результатам прямых измерений и сравнения масс различных сочетаний гирь. Совместные - это измерения, производимые одновременно двух или нескольких разноименных величин для нахождения функциональной зависимости между ними. Примерами совместных измерений являются определение длины стержня в зависимости от его температуры или зависимости электрического сопротивления проводника от давления и температуры. По условиям, определяющим точность результата, измерения делятся на три класса. 1. Измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники. В этот класс включены все высокоточные измерения и в первую очередь эталонные измерения, связанные с максимально возможной точностью воспроизведения установленных единиц физических величин. Сюда относятся также измерения физических констант, прежде всего универсальных, например измерение абсолютного значения ускорения свободного падения. 2. Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторого заданного значения. В этот класс включены измерения, выполняемые лабораториями государственного контроля (надзора) за соблюдением требований технических регламентов, а также состоянием измерительной техники и заводскими измерительными лабораториями. Эти измерения гарантируют погрешность результата с определенной вероятностью, не превышающей некоторого, заранее заданного значения. 3. Технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений. Примерами технических измерений являются измерения, выполняемые в процессе производства на промышленных предприятиях, в сфере услуг и др. В зависимости от способа выражения результатов измерений различают абсолютные и относительные измерения. Абсолютными называют измерения, которые основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или на использовании значений физических констант. Примерами абсолютных измерений являются: определение длины в метрах, силы электрического тока в амперах, ускорения свободного падения в метрах на секунду в квадрате. Относительными называют измерения, при которых искомую величину сравнивают с одноименной величиной, играющей роль единицы или принятой за исходную. Примерами относительных измерений являются: измерение диаметра обечайки по числу оборотов мерного ролика, измерение относительной влажности воздуха, определяемой как отношение количества водяных паров в 1 куб.м воздуха к количеству водяных паров, которое насыщает 1 куб.м воздуха при данной температуре. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ Все средства измерений, независимо от их конкретного исполнения, обладают рядом общих свойств, необходимых для выполнения ими их функционального назначения. Согласно ГОСТ 8.009-84, метрологическими характеристиками называются технические характеристики, описывающие эти свойства и оказывающие влияние на результаты и на погрешности измерений, предназначенные для оценки технического уровня и качества средства измерений, для определения результатов измерений и расчетной оценки характеристик инструментальной составляющей погрешности измерений. Характеристики, устанавливаемые нормативно-техническими документами, называются нормируемыми, а определяемые экспериментально — действительными. Ниже приведена номенклатура метрологических характеристик: Характеристики, предназначенные для определения результатов измерений (без введения поправок): Функция преобразования измерительного преобразователя, а также измерительного прибора с неименованной шкалой; Значение однозначной меры; Цена деления шкалы измерительного прибора или многозначной меры; Вид выходного кода для цифровых средств измерений; Характеристики погрешностей средств измерений; Характеристики чувствительности средств измерений к влияющим величинам; Динамические погрешности средств измерений (переходная характеристика, АЧХ, АФХ и т.д.) ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТА ИЗМЕРЕНИЯ Основными характеристиками качества результата измерения являются точность и достоверность, т.е. степень доверия, которого он заслуживает. Точность измерений отражает близость их результатов истинному значению измеряемой̆ величины. Погрешности (неточности) являются следствием многих причин, например, несовершенства методов и средств измерений, недостаточного качества проведения и обработки результатов измерений операторами, воздействия постоянных и переменных внешних факторов. Для уменьшения погрешностей̆ необходимо устранять или уменьшать влияние каждоӗ из причин их появления. Современные дорогостоящие СИ позволяют производить измерения с достаточно высокой̆ точностью результатов, т.е. сводить погрешности до минимума. Основными характеристиками качества результата измерения являются точность и достоверность, т.е. степень доверия, которого он заслуживает. Точность измерений отражает близость их результатов истинному значению измеряемой̆ величины. Погрешности (неточности) являются следствием многих причин, например, несовершенства методов и средств измерений, недостаточного качества проведения и обработки результатов измерений операторами, воздействия постоянных и переменных внешних факторов. Для уменьшения погрешностей̆ необходимо устранять или уменьшать влияние каждой̆ из причин их появления. Погрешности измерений ПОНЯТИЕ МНОГОКРАТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ Многократное измерение — измерение физической величины одного и того же размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, т. е. состоящее из ряда однократных измерений. Многократное измерение одной̆ и той же величины постоянного размера производится при повышенных требованиях к точности измерений работниками метрологических служб, при точных научных экспериментах и т.д. Алгоритм обработки многократного измерения регламентирован ГОСТ8.207-76 и выполняется разными способами в несколько этапов. 1. Проведение анализа априорной информации об изучаемом объекте. 2. Планирование результатов наблюдений с целью определения оптимального числа измерений n и допустимых статистических характеристик: x - среднее арифметическое; Dx - его доверительный̆ интервал и sx - среднее квадратическое выборки. 3. Выполнение небольшого количества (m В случае, когда из априорной̆ информации известно, что в процессе измерения величина существенно изменяется, то её измеряют одновременно несколькими средствами, каждое из которых даёт одно из независимых значений. 4. Исправление результатов наблюдений заключается во внесении поправок и исключении статистическими методами грубо- ошибочных данных, которые в 5...10 раз превышают ожидаемую погрешность. |