Метрология. Учебное пособие по дисциплине для всех форм обучения по направлению 23. 03. 01 Технология транспортных процессов и специальности 20. 05. 01 Пожарная безопасность пос. Яблоновский
 Скачать 3.02 Mb.
|
|
Шкала наименований Основана на приписывании объекту знаков с целью их идентификации Шкала порядка Предлагает упорядочение объектов относительного определенного свойства Шкала интервалов Вначале устанавливают единицу физической величины и откладывают разность Шкала отношений Интервальная шкала с естественным нулевым началом ОЦЕНИВАНИЕ ИЗМЕРЕНИЕ Рисунок 4 – Типы шкал ШКАЛА ФИЗИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНЫ Шкала цветов (цветовая палитра) Шкала вкусов Шкала запахов Шкала твердости Физических тел (шкала Бринелля; шкала Мооса; шкала Роквела) Шкала землятресений (шкала Рихтера; сейсмическая шкала) Шкала температур (шкала Цельсия; шкала Фаренгейта) Шкала абсолютной температуры (шкала Кельвина) Шкала массы Шкала длины 22 Шкала отношений представляет собой интервальную шкалу с естественным нулевым началом, например температурная шкала Кельвина, шкала длины или шкала массы. Шкала отношений является самой совершенной и наиболее информативной. Результаты измерений по шкале отношений можно складывать между собой, вычитать, перемножать и делить. Шкалы наименований и порядка называют неметрическими (концептуальными), а шкалы интервалов и отношений метрическими (материальными). Практически шкалы измерений реализуются через стандартизацию как самих шкал единиц измерений, так, в необходимых случаях, способов и условий их однозначного воспроизведения. 2 Основные положения теории измерений 2.1 Постулаты теории измерений Метрология, как и любая другая наука, строится на ряде основополагающих постулатов, описывающих ее основные аксиомы. В настоящее время можно говорить о построении теоретического фундамента метрологии на основе нескольких общих свойств для всего многообразия любых физических объектов в виде формулировки следующих постулатов: 1) постулат α. В рамках принятой модели объекта исследования существует определенная измеряемая физическая величина и ее истинное значение; 2) постулат β. Истинное значение измеряемой величины постоянно; 3) постулат γ. Существует несоответствие измеряемой величины исследуемому свойству объекта. При проведении измерений физически определяется расстояние между двумя точками, находящимися между фиксированными элементами измерительного инструмента. Каждому варианту стыковки измеряемой детали и измерительного инструмента будет соответствовать конкретный результат измерения. Исходя из этого, можно утверждать, что измеряемая величина существует лишь в рамках принятой модели, то есть имеет смысл только до тех пор, пока модель признается адекватной объекту. Конкретная процедура выполнения измерений рассматривается как последовательность сложных и разнородных действий, состоящих из ряда этапов, которые могут существенно различаться по числу, виду и трудоемкости выполняемых операций. В каждом конкретном случае соотношение и значимость каждого из этапов могут заметно меняться, но четкое выделение этапов и осознанное выполнение необходимого и 23 достаточного числа выполняемых действий измерения приводит к оптимизации процесса реализации измерений и устранению соответствующих методических ошибок. К числу основных этапов относятся следующие: постановка измерительной задачи; планирование измерений; проведение измерительного эксперимента; обработка экспериментальных данных. Содержание этих основных этапов приведено в таблица4. Таблица 4 Содержание этапов измерений (упрощенно) Этап Содержание этапа 1. Постановка измерительной задачи 1.1. Сбор данных об условиях измерений и исследуемой физической величине. 1.2. Выбор конкретных величин, посредством которых будет находится значение измеряемой величины. 1.3. Формулировка уравнения измерения 2. Планирование измерений 2.1. Выбор методов измерений и возможных типов средств измерений. 2.2. Априорная оценка погрешности измерения 2.3. Определение требований к метрологической характеристике средств измерения и условий измерения. 2.4. Подготовка средств измерений. 2.5. Обеспечение требуемых условий измерений и создание возможности их контроля. 3. Проведение измерительного эксперимента 3.1. Взаимодействие средств объектов измерений. 3.2. Регистрация результата 4. Обработка экспериментальны х данных 4.1. Предварительный анализ информации, полученной на предыдущих этапах измерения. 4.2. Вычисление и внесение возможных поправок на систематические погрешности. 4.3. Формулирование и анализ математической задачи обработки данных. 4.4. Проведение вычислений, в итоге которых получают значения измеряемой величины и 24 погрешностей измерения. 4.5. Анализ и интерпретация полученных результатов. 4.6. Запись результатов измерений и показателей погрешности в соответствии с установленной формой представления Качество подготовки измерения всегда зависит от того, в какой степени была получена и использована необходимая априорная информация. Ошибки, допущенные при подготовке измерений, с трудом обнаруживаются и корректируются на последующих этапах. 2.2 Виды и методы измерений Для проведения измерительного эксперимента необходимы особые технические средства – средства измерений. Результатом измерения является оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Измерение физической величины (measurement) – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающая нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины. Несмотря на то, что измерения непрерывно развиваются и становятся все более сложными, метрологическая сущность остается неизменный и сводится к основному уравнению измерения: Q = X[Q] где Q – измеряемая величина; X – числовое значение измеряемой величины в принятой единице измерения; [Q] – выбранная для измерения единица. В зависимости от того, на какие интервалы разбита шкала, один и тот же размер представляется по–разному. Допустим, измеряется длина отрезка прямой в 10 см с помощью линейки, имеющей деления в сантиметрах и миллиметрах. Для первого случая Q 1 = 10 см при X 1 = 10 и [Q 1 ]= 1 см. Для второго случая Q 2 = 100 ммпри X 2 = 100 и [Q 2 ]= 1 мм. При этом Q 1 = Q 2 , так как 10 см = 100 мм. Применение различных единиц в процессе измерения приводит только к изменению численного значения результата измерения. 25 Цель измерения – получение определенной физической величины в форме наиболее удобной для пользования. Любое измерение заключается в сравнении данной величины с некоторым ее значение, принятым за единицу сравнения. Такой подход выработан практикой измерений, исчисляемой сотнями лет. Еще великий математик Л.Эйлер утверждал: «Невозможно определить или измерить одну величину иначе как, приняв в качестве известной другую величину этого же рода и указав соотношение в котором они находятся». Измерения как экспериментальные процедуры весьма разнообразны и классифицируются по разным признакам (рисунок 5). По способу получения информации. Эта классификация позволяет получить удобное выделение методических погрешностей измерений и предусматривает деление измерений на прямые, косвенные, совокупные и совместные. Прямое измерение – это измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно, значение находится непосредственно по показаниям средства измерения при сравнении физической величины с ее мерой. В современных приборах микропроцессорной техники операция вычислений может представлять внутреннюю неотделимую процедуру, а погрешность расчета входит в погрешность измерительного прибора. В таком случае измерения, проведенные с помощью такого прибора, должны быть отнесены к прямым. Косвенное измерение – это определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, фундаментально связанных с искомой величиной. Фактически речь идет не об измерительной операции, а о выполнении ручной или автоматической вычислительной операции после получения результатов прямых измерений. Совокупные измерения – это проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерении этих величин в различных сочетаниях. Совместные измерения – это проводимые одновременно измерения двух или нескольких величин для определения зависимости между ними. Отличие совместных и совокупных измерений заключается в том, что при совокупных измерениях одновременно определяется несколько одноименных величин, а при совместных – несколько разноименных величин. По отношению с основным единицам. Эта классификация предусматривает деление измерений на абсолютные и относительные. 26 Абсолютное измерение – это измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значения физической константы. Например измерение силы основано на измерении физической константы g. Относительное измерение – это измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную. Хотя при этом может существовать зависимость результата от выбранной единицы измерения, относительные измерения дают более точные результаты, чем абсолютные, так как не содержат погрешности меры величины. По количеству замеров информации. Однократное измерение – это измерение, выполненное один раз. Многократное измерение – это измерение физической величины одного того же размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, то есть состоящих из ряда однократных измерений. По характеристике точности измерения. Равноточные измерения – ряд измерений какой–либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью. Неравноточные измерения – ряд измерений какой–либо величины, выполненных различающимся по точности средствам измерений (или) в разных условиях. По характеру динамики измеряемой величины. Статическое измерение (static measurement) – это измерение физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения. Статистические измерения связаны с определением характеристик случайных процессов (звуковых сигналов, уровня шума и т.д.), а также с определением закономерностей общественной деятельности человека. Динамические измерения (dynamic measurement) – это измерение изменяющейся по размеру физической величины. Такая градация измерений связана с решением об учете или пренебрежении скорости изменения измеряемой величины и необходимости вычисления динамической погрешности. По метрологическому назначению. Технические измерения проводятся рабочими средствами измерения и принимается наперед заданная погрешность, достаточная для решения данной практической задачи. 27 Рисунок 5 – Классификация видов измерений по различным признакам 28 Метрологические измерения выполняются при помощи эталонов с целью воспроизведения единиц физических величин для передач их размера рабочим средствам измерения. Под методом измерений понимают совокупность приемов использования принципов и средств измерений, выбранную для решения конкретной измерительной задачи. В понятие метода измерений входят как теоретическое обоснование принципов измерения, так и разработка приемов применения средств измерения. Принцип измерения – это физическое явление (физический эф– фект), положенное в основу измерений. К наиболее распространенным физическим эффектам, используемым при измерении, относятся: пьезо– электрический, термоэлектрический, фотоэлектрический. Метод измерения (meth–d –f measurement) – это прием или сово– купность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Ме– тоды измерений классифицируют по нескольким признакам: по общим приемам получения результатов измерений, по условиям измерения и по способу сравнения измеряемой величины с ее единицей. Искомое значение физической величины находится посредством сопоставления ее с мерой, материализирующей единицу этой величины. Выделяют следующие методы измерений (рисунок 6). По способу получения значений измеряемых величин различают два основных метода: метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой. Метод непосредственной оценки – метод, в которомискомое значение физической величины определяют непосредственно по отчетному устройству средства измерения, которое проградуировано в соответствующих единицах. Метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (например сравнение массы на рычажных весах). Отличительной чертой методов сравнения с мерой является непосредственное участие меры в процедуре измерения, в то время как в методе непосредственной оценки мера в явном виде при измерении не присутствует, а ее размеры перенесены на отчетное устройство (шкалу) средства измерения заранее, при его градуировке. Обязательным в методе сравнения с мерой является наличие сравнивающего устройства. Метод сравнения с мерой имеет несколько разновидностей: – нулевой метод (или метод полного уравновешивания) – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и встречного воздействия меры на сравнивающее устройство сводятся к нулю (рис 7, а). Измерение массы на равноплечных 29 весах, когда воздействие на весы массы m x полностью уравновешивается массой гирь m – ; – дифференциальный метод измерения – это метод измерения, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины. При дифференциальном методе полное уравновешивание не производят, а разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, отсчитывается по шкале приборов (рисунок 7, б). Измерение массы на равноплечных весах, когда воздействие массы m x на весы частично уравновешивается массой гирь m – , а разность масс отсчитывается по шкале весов, градуированной в единицах массы. В этом случае значение измеряемой величины m х = m – + Δm х , где Δ m х показания весов; в г Рисунок 7 – Метод сравнения с мерой: а нулевой метод; б дифференциальный метод; в метод замещения; г – метод совпадений 30 – метод замещения – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой (рисунок7, в) и измерение производят в два приема. Вначале на чашу весов помещают взвешиваемую массу и отмечают положение указателя весов, затем на чашу весов помещают гири так, чтобы указатель весов установился точно в том же положении, что и в первом случае; – метод совпадений – метод, при которомразность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, определяют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов. Например, при измерении штангециркулем используют совпадение отметок основной и нониусной шкал (рисунок 7, г). По условиям измерения различают контактный и бесконтактный метод. Контактный метод – это метод измерения, основанный на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения, например измерение длины линейкой или измерение температуры термометром. У бесконтактного метода чувствительный элемент прибора не контактирует с измеряемым объектом, например измерение скорости или расстояния локатором. В зависимости от измерительных средств, используемых в процессе измерения, различают инструментальный, экспертный, органолептический и эвристический методы измерений. Инструментальный метод основан на использовании специальных технических средств, например микроскопа, штангенциркуля, профилометра и др. Экспертный метод оценки основан на использовании данных нескольких специалистов. Широко применяется в квалиметрии, медицине, спорте, искусстве. Органолептический метод оценки основан на использовании органов чувств человека (обоняние, осязание, зрение, слух и вкус). Часто используются измерения на основе впечатлений (конкурсы, соревнования). Эвристические методы основаны на интуиции. Например метод попарного соспоставления, когда измеряемые величинысначала сравниваются между собой попарно, а затем производится ранжирование на основании результатов этого сравнения. 2.3 Средства измерений Средство измерения (measuring instrument) – это техническое средство, предназначенное для измерения, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер, которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. 31 По способу получения значений По условиям измерения По виду применяемых измерительных средств Метод непосредственной оценки Контактный метод Инструментальный метод Бесконтактный метод Экспертный метод Метод сравнения с мерой Органолептический метод Эвристический метод Рисунок 6 – Классификация методов измерений 32 Все средства измерения можно классифицировать по двум основным признакам (рисунок 8): – по конструктивному исполнению; – по метрологическому назначению. По конструктивному исполнению, а также форме представления измерительной информации средства измерений подразделяются следующим образом: - мера физической величины, - измерительные преобразователи; - измерительные приборы, - измерительные установки, - измерительные системы, мера физической величины (material measure) – 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 (гиря, калибр, конденсатор постоянной емкости); многозначные (масштабная линейка) и наборы мер (наборы гирь, наборы калибров, наборы концевых мер). К однозначным мерам можно отнести стандартные образцы. Стандартный образец – это образец вещества (материала) с установленными в результате метрологической аттестации значениями одной и более величин, характеризующих свойство или состав этого вещества. Различают стандартные образцы свойства и состава. Пример стандартного образца свойства – диэлектрическая проницаемость, пример стандартного образца состава – состав углеродистой стали; измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. По характеру преобразования различают аналоговые, цифроаналоговые, аналого–цифровые преобразователи. К измерительным преобразователям относятся термопары, тензодатчики, измерительные трансформаторы тока и напряжения и др.; измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Прибор, как правило, содержит устройство для преобразования измеряемой величины и ее индикации в форме, наиболее доступной для восприятия (шкала, диаграмма с указателем, дисплей мини–ЭВМ). Структурная схема измерительного прибора приведена на рисунок 9. По степени индикации измеряемой величины измерительные приборы подразделяются на показывающие и регистрирующие. Показывающий прибор допускает только отсчитывание измеряемой величины (микрометр, аналоговый или цифровой вольтметр). В регистрирующем приборе предусмотрена регистрация показаний – в форме диаграммы, путем печатания показаний (профилограф, разрывная машина); 33 измерительная установка (measuring innstallati–n) – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, предназначенная для измерения одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте. Примером является установка для испытания магнитных материалов. Некоторые большие измерительные установки называют измерительными машинами. Испытательную установку, предназначенную для каких–либо испытаний, иногда называют испытательным стендом; измерительный преобразователь (measuring transducer) – техническое средство с нормативными метрологическими характеристикам, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину измерительная система (measuring system) – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерения одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях. Примером может служить радионавигационная система для определения местоположения судов, состоящая из ряда измерительных комплексов, разнесенных в пространстве на значительном расстоянии друг от друга, или измерительная система теплоэлектростанции, позволяющая получать измерительную информацию о ряде физических величин в разных энергоблоках и соединенная может быть сотням измерительных каналов. Другим признакам деления средств измерений является метрологическое назначение. По метрологическому назначению все средства измерений подразделяются на два вида: рабочие средства измерений и эталоны (см. рисунок 8). рабочее средство измерения (–rdinary measuring instrument) – средство измерения, предназначенное для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измерений. Рабочие средства измеренийпредназначены для проведения технических измерений. По условия применения они могут быть: – лабораторными, используемыми для научных исследований, проектирования технических устройств, медицинских измерений; – производственными, используемыми для контроля характеристик технологических процессов, контроля качества готовой продукции, контроля отпуска товаров; – полевыми,используемыми при эксплуатации таких технических устройств, как самолеты, автомобили, речные и морские суда и др.; эталон (measurement standard) – это средство измерения (или комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы физической величины и передачи ее размера 34 нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений, утвержденное в качестве эталона в установленном порядке. Эталоныявляются высокоточными средствами измерений, апоэтому используются для 35 Рисунок 9 – Структурная схема измерительного прибора проведения метрологических измерений в качестве средств передачи информации о размере единицы физической величины. Размер единицы передается «сверху вниз», от более точных средств измерения к менее точным: первичный эталон – вторичный эталон – рабочий эталон 0–го порядка – рабочий эталон 1–го порядка … – рабочее средство измерения проведения метрологических измерений в качестве средств передачи информации о размере единицы физической величины (рисунок 10). Рисунок 10 – Пирамида эталонов 36 Конструкция эталона, его свойства и способ воспроизведения единицы определяется 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. Первичный эталон (primary standard) – эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью. Первичный эталон может быть национальным и международным. Международный эталон (internati–nal standart) – эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами. Национальный (государственный первичный) эталон (nati–nal standart) – служит в качестве исходного для страны. Вторичный эталон (sec–ndary standard) – эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы. Рабочий эталон (w–rking standard) – эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим средствам измерения. |