Основы метрологии

Тема № 1. Теоретические основы метрологии

Метрология, стандартизация и сертификация

Тексты лекций теме № 1

Основы метрологии

Лекция № 1

Все люди, как в отдельности, так и в различных объединениях нуждаются в товарах и услугах. Эти товары и услуги необходимы для обеспечения потребностей, таких как простейшие физиологические (пища, одежда), и социальные (потребности в развитии личности, социальной группы, общества в целом), высшей формой которых являются потребности в самореализации и самоутверждении, то есть в творческой деятельности.

Товар — это любая вещь (предмет), который может удовлетворять потребности.

Услуга — действие, приносящее пользу другому лицу.

Продукция — результат деятельности.

Для того, чтобы товары и услуги действительно могли удовлетворять существующие или предполагаемые потребности они должны обладать определенным качеством.

Качество — совокупность свойств продукции, обеспечивающих ее способность удовлетворять потребности в соответствии с назначением.

Свойство — это философская категория, выражающая такую сторону объекта, которая обусловливает его сходство или различие с другими объектами. Применительно к продукции свойства обычно называют характеристиками качества.

Различают количественные и качественные характеристики.

Показатель качества — это количественная характеристика одного или нескольких свойств продукции.

Показатель качества количественно характеризует пригодность изделия удовлетворять те или иные потребности. Так, потребность иметь надежный прибор определяется показателем «ресурс работы». Следует различать наименование показателя, например, ресурс работы, и значение показателя, например, 1000 часов.

Требования, которые предъявляются к качеству изделий и услуг, весьма различны, однако их можно условно сгруппировать следующим образом:

требования назначения, которые устанавливают функциональную пригодность;

требования эргономики, которые обеспечивают согласованность конструкции изделия с особенностями человеческого организма для обеспечения удобства пользователя;

требования технологичности, то есть приспособленность продукции к изготовлению, эксплуатации, ремонту и утилизации;

требования совместимости и взаимозаменяемости, то есть пригодность продукции к совместному использованию без нежелательных взаимодействий и пригодность одного изделия для использования вместо другого изделия в целях выполнения однородных задач;

требования ресурсосбережения и экологичности, обеспечивающие безопасное и экономное использование сырья, материалов, топлива, энергии, трудовых ресурсов;

эстетические требования — это требования к способности продукции или услуги обеспечивать формирование гармоничной предметной среды для жизни и деятельности человека.

Качество изделия закладывается при его проектировании, обеспечивается при его изготовлении и поддерживается при его эксплуатации.

Важнейшими инструментами обеспечения качества продукции являются метрология, стандартизация и сертификация.

Основные понятия метрологии

Метрология как деятельность. Объекты измерений. Основные понятия, связанные с объектами измерений: свойство, количественные и качественные проявления свойств. Физическая величина, обозначения физических величин.

Метрология как деятельность

Метрология — это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Метрология как область практической деятельности возникла еще в древние времена. На всем пути развития человеческого общества измерения были основой экономических отношений людей между собой, с окружающими предметами, природой. Метрическая система мер была введена во Франции в 1840 г. По инициативе России (Д.И. Менделеев) в 1875 г. была принята Метрическая конвенция, на которую возлагались задачи обеспечения единообразия средств измерений в международном масштабе. Одновременно было учреждено Международное Бюро Мер и Весов. В 1960 г. была принята Международная система единиц, универсальная для всех отраслей науки и техники. Однако по традиции в ряд стран еще до сих пор широко применяются внесистемные единицы —дюймы, футы, мили, причем имеющие разную длину. Например, обычная миля равна 1,481 км; морская миля равна 1,852 км (1 минута дуги меридиана); английская морская миля равна 1,853 км, а уставная миля США равна 1,609 км.

В развитии отечественной метрологии можно отметить четыре этапа. Первый этап охватывает почти весь XIX век. Этот период характерен активизацией метрологической деятельности и началом широкого участия российских ученых в работе международных метрологических организаций. В 1842 г. на территории Петропавловской крепости в специально построенном помещении было открыто первое централизованное метрологическое и поверочное учреждение России — Депо образцовых мер и весов, в котором хранились эталоны длины и массы (платиновая сажень и платиновый фунт), их копии, а также образцы различных иностранных мер. В Депо изготавливались образцовые меры, проводилась их поверка Поверка — это определение погрешностей средства измерений и установление его пригодности к применению. Точное определение термина см. в лекции № 6. и сличение с иностранными мерами. Эта деятельность регламентировалась «Положением о мерах и весах», которое заложило основы государственного подхода к обеспечению единства измерений.

Для ученых того времени характерно глубокое понимание роли метрологии в науке и жизни. В 1869 г. Петербургская академия наук отправила в Парижскую академию наук доклад, в котором предлагалось с целью обеспечения единства измерений в международном масштабе изготовить новые международные прототипы метра и килограмма и распределить их копии между заинтересованными государствами.

Это предложение было принято, и в результате последующей работы ученых разных стран была подписана 1 марта 1875 г. Метрическая конвенция. Она способствовала унификации мер и расширению метрологической деятельности, как в национальном, так и в международном масштабах. В соответствии с этой конвенцией Россия получила платиноиридиевые эталоны единицы массы № 12 и № 26 и эталоны длины № 11 и № 28.

В 1892 году управляющим Депо был назначен Д. И. Менделеев, который так много сделал для отечественной метрологии, что период с 1892 по 1917 г. г. называют менделеевским этапом развития метрологии. Уже в 1893 г. он преобразует Депо в Главную палату мер и весов, которая стала одним из первых в мире научно-исследовательских учреждений в области метрологии. Только через семь лет в Англии было организовано метрологическое отделение Национальной физической лаборатории, а год спустя в США — Национальное бюро эталонов. Под руководством Д. И. Менделеева началась работа по созданию государственной системы эталонов и их сличению с английскими метрическими мерами. Начала развиваться государственная метрологическая служба, была составлена широкая программа научных исследований в области метрологии. Собственные работы Д. И. Менделеева и основанные им научные направления на долгие годы определили пути развития отечественной метрологии, обеспечили ей передовые позиции и высокий авторитет на международной арене. Ему принадлежит высказывание: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять. точная наука немыслима без меры». Однако даже Д. И. Менделееву не удалось полностью внедрить метрическую систему. Она применялась наряду со старой русской и британской (дюймовой) системами.

Существенные изменения в метрологической деятельности начались после октябрьской революции (1917 г.). Уже в 1918 г. был принят Декрет «О введении международной метрической системы мер и весов», с которого начался третий этап развития отечественной метрологии, продолжавшийся до Великой Отечественной войны. Главным его содержанием является переход к государственной метрологической деятельности. В 1925 г. Совнарком признал Метрическую конвенцию и создал Комитет по стандартизации при Совете труда и обороны. Это обеспечило систематическое и планомерное развитие научной и организационно-технической деятельности в области метрологии.

Отличительной особенностью четвертого этапа является повсеместное внедрение стандартизации как главной организационно-правовой формы обеспечения единства измерений. Разработка и внедрение Государственной системы стандартизации, организация метрологической службы страны обеспечили единство измерений и возможность на этой основе эффективно использовать достижения науки и техники, повышать технический уровень и качество продукции, товаров и услуг.

Современная метрология включает три составляющие: теоретическую, практическую и законодательную метрологию.

Теоретическая метрология занимается фундаментальными исследованиями, направленными на создание новых методов измерений, новых единиц измерений.

Прикладная метрология занимается вопросами практической реализации методов измерений в виде различных средств и систем измерений, установлением эталонов и образцовых средств измерений, а также передачей размеров единиц рабочим средствам измерений.

Законодательная метрология включает в себя совокупность правил и норм, направленных на обеспечение единства измерений, причем они имеют обязательную силу и находятся под контролем государства.

Объекты измерений и их свойства

Измерения являются основой процесса познания явлений и процессов. Например, информационная связь оператора (летчика, штурмана) с летательным аппаратом осуществляется по информационным каналам, по которым информация о движении ЛА поступает к оператору через систему отображения информации Часть информации непосредственно воспринимается зрительными, слуховыми, акселерационными и другими рецепторами.

Источником измерительной информации в метрологии являются объекты различной природы.

Объект (от латинского objectum — предмет) — философская категория, выражающая то, что противостоит субъекту в его практической и познавательной деятельности.

Исторически задачи измерений возникали и решались для физических объектов, однако затем стали проводить измерения и для биологических объектов, а в последнее время и для совершенно нефизических, таких как экономические системы, информационные системы.

В дальнейшем мы будем рассматривать только физические объекты.

Физический объект в любой момент времени можно приближенно описать с помощью конечного множества параметров и состояний. Параметры объекта задают его относительно постоянные свойства, такие как масса, геометрические размеры, электрические и тепловые характеристики и т. п. Те свойства объекта, которые существенно изменяются во времени принято называть состояниями.

Например, к параметрам самолета можно отнести массу пустого самолета, площадь крыла, коэффициент лобового сопротивления и т. п. Состояния, описывающие движение самолета — это высота полета, угол наклона траектории, воздушная скорость, угол крена и т. п.

С точки зрения измерений принято говорить о свойствах объекта, понимая под ними такие стороны объекта, которые обуславливают его различие или общность с другими объектами. Так самолеты могут иметь различную массу, но лететь на одинаковой высоте. На этой же высоте может лететь и совершенно другой объект, например, шар-зонд. Таким образом, для задач метрологии важно лишь то, какие именно свойства объектов интересуют нас для решения конкретной задачи и в принципе неважно, каким именно объектам они принадлежат.

Свойства объекта обнаруживаются (проявляются) в отношениях с другими объектами. Например, высота полета измеряется по отношению к некоторому заданному уровню. Место самолета определяется в некоторой заданной системе координат.

Некоторые свойства объекта проявляются только качественно. Это нехарактерно для технических систем, однако все же в ряде случаев не удается количественно описать свойства объектов. Например, свойства объектов, отражающие их эстетическое или физиологическое воздействие: «красивый самолет» При этом широко известно высказывание: «Некрасивый самолет не полетит», «удобное кресло», «четкая шкала», «неприятный запах» и т. п. Следует заметить, что закономерность развития науки и техники такова, что постепенно сокращается число таких свойств, которые не поддаются количественной оценке. «Измерить то, что можно измерить, а то, что не измеряется, сделать измеримым»

Для техники более характерно количественное проявление свойств объекта. Это нашло отражение в термине «физическая величина».

Физическая величина — свойство, присущее многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта.

Еще раз приведем примеры таких физических величин: В дальнейшем для сокращения будем говорить просто «величина». длина, масса, проводимость, теплоемкость, давление, температура и т. п.

Индивидуальность в количественном отношении следует понимать в том смысле, что одно и тоже свойство для одного объекта может быть в определенное число раз больше или меньше, чем у другого. Поэтому не следует употреблять термин «величина» для выражения количества рассматриваемого свойства. Например, неправильно говорить «величина массы» или «величина напряжения», так как масса и напряжение сами являются величинами. Следует говорить о «значении величины», например, «значение напряжения 220 В». При этом слово «значение» часто опускается и говорят о «напряжении 220 В».

Особо следует упомянуть физические константы — постоянные величины, входящие в математические выражения физических законов. Например, скорость света в вакууме c = (299 792 4581,2) м/с, газовая постоянная R = (8,314 410,00026) Дж/(мольК). Физические константы называют еще фундаментальными или универсальными, так как их значения не изменяются во времени, по крайней мере, по современным воззрениям.

Не следует думать, что все выражения, связывающие физические величины, обязательно содержат физические константы. Например, на основе второго закона Ньютона можно записать выражение для силы тяжести

однако ускорение свободного падения нельзя считать физической константой, так как величина g зависит от географической широты места и его высоты над уровнем моря.

Во многих практических расчетах этой зависимостью можно пренебречь и приближенно считать величину g постоянной.

Обозначения физических величин

В качестве обозначений физических величин используются буквы латинского и греческого алфавитов, снабженные в случае необходимости индексами. Индексы, как правило, располагаются с правой стороны внизу буквы.

В качестве правых нижних индексов преимущественно применяются:

а) арабские (реже римские) цифры для обозначения порядковых номеров. Например, ?₁, ?₂, ?₃ — парциальные давления первого, второго и третьего газов в газовой смеси; ?₁, ?₂, ?₃ — силы тока в первом, втором третьем контурах электрической цепи;

б) буквы латинского или греческого алфавитов во всех тех случаях, когда эти индексы широко применяются в международном масштабе, например, с_p и c_v — удельные теплоемкости газа при постоянном давлении и при постоянном объеме;

в) строчные (реже прописные) буквы русского алфавита, соответствующие начальным буквам наименований процесса, состояния, детали и т. п., во всех тех случаях, когда отсутствуют стандартизированные международные индексы. Например, U_ф — фазное напряжение, Р_В — мощность возбуждения, ?_а — коэффициент полезного действия антенны.

Индексы не должны содержать больше трех букв.

Реже применяются правые верхние и левые как нижние, так и верхние индексы.

В качестве верхних индексов, если не считать показателей степени, используются штрихи и римские цифры. Например, с, d ^iv.

Левые индексы используются главным образом в атомной и ядерной физике.

Допускаются к применению сложные индексы, являющиеся сочетанием простых:

а) сочетание двух — трех сокращенных русских слов. Их отделяют одно от другого точками, причем после последнего сокращения точку не ставят, например, частота граничная верхняя f_гр.в; коэффициент стоячей волны k_с.в;

б) нескольких чисел в цифровой форме, их отделяют друг от друга запятой, например i_1,2,3;

в) десятичной дроби и сокращенного слова или буквы; дробь отделяют от сокращенного слова или буквы точкой с запятой, например, ?_0,2;пл.

Буквы латинского алфавита, обозначающие физические величины, пишутся наклонно (курсивом), а буквы греческого алфавита — в прямом начертании.

Исключение из этого правила составляет обозначение буквами латинского алфавита в прямом начертании для:

а) температуры в градусах Цельсия © и Фаренгейта (F);

б) математических функций, например, cos, sin, arctg, ln, ch;

в) химических элементов и соединений, например, Cl, Fe, C₂, H₆;

г) чисел подобия — Re (Рейнольдса), Pr (Прандтля), M (Маха), Zh (Жуковского) и др.

Ключевые слова: товар, услуга, продукция, качество, свойство, метрология, объект измерения, качественное и количественное проявление свойств, физическая величина, физическая константа.

Лекция № 2

Общие сведения об измерениях

Структурная схема измерений. Характеристика основных элементов: объект измерения, физическая величина и ее единицы. Результат измерения. Виды измерений. Условия измерений.

Прежде чем приступить к изучению общих закономерностей измерений, рассмотрим пример.

Определение относительной барометрической высоты

Для измерения высоты полета применяются два метода: радиотехнический и барометрический. Барометрический метод является простым, надежным, помехоустойчивым, автономным и дает достаточную точность. Он основан на изменении атмосферного давления в зависимости от высоты полета:

где R = 29,27 м/град — газовая постоянная воздуха;

Т_ср — средняя температура воздуха от земли до измеряемой высоты.

Р_ст — статическое (атмосферное) давление на измеряемой высоте;

Р₀ — статическое (атмосферное) давление у земли;

Статическое давление через приемник статического давления на борту поступает в мембранно-анероидное устройство, которое является чувствительным элементом. Перемещение подвижного центра этого устройства преобразуется в напряжение переменного тока с помощью индуктивного преобразователя. Значения температуры и давления в заданной точке (аэродроме взлета) вводятся штурманом. Вычисление текущей высоты производится с помощью электромеханической следящей системы или цифрового вычислителя. Результат вычислений выводится на указатель высоты штурмана.

Объектом измерения в данной задаче является самолет, летящий на некоторой высоте в атмосфере. Для определения этой высоты используется измерение физической величины — статического атмосферного давления. Измерение давления производится с помощью специальных технических средств — чувствительного элемента с индуктивным преобразователем его перемещения в электрический сигнал.

Структурная схема измерений

Тема № 1. Теоретические основы метрологии Такая же структурная схема характерна для большинства технических

Основные термины

Теперь можно записать несколько важных общих определений.

Измерение — совокупность действий, выполняемых при помощи средств измерений с целью нахождения числового значения измеряемой величины в принятых единицах измерения. Результат измерения (значение физической величины) представляет собой именованное (размерное) число Q, состоящее из числа n, показывающего отношение измеренной величины к другой, принятой за единицу измерения и наименования (размерности) величины:

Здесь [Q] — единица физической величины (единица измерения), то есть физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1.

Международная система единиц СИ включает семь основных единиц длины — метр (м);

массы — килограмм (кг);

времени — секунда (с);

силы тока — ампер (А);

термодинамической температуры — кельвин (К);

силы света — кандела Кандела (от лат. сandela) — свеча. (кд). 1 кд = 0,95 св;

количества вещества — моль (моль).

Наряду с термодинамической температурой широко используется температура Цельсия, определяемая соотношением

t = T — T₀,

где T₀ — термодинамическая температура, которая по определению на 0,01 К ниже термодинамической температуры тройной точки воды, т. е. T₀ = 273,15 К.

Единица температуры Цельсия [t] = 1 C.

Кроме того, используются две дополнительные единицы:

плоского угла — радиан (рад);

телесного угла — стерадиан (ср).

Существуют также отдельные внесистемные единицы, которые оказались очень удобными для ряда областей науки и техники, а также в быту. Такие единицы как тонна, литр, минута, час, сутки и др. допущены к применению наравне с единицами СИ.

Предполагается, что другие популярные единицы, например, миллиметр ртутного столба, калория, оборот в секунду подлежат постепенному изъятию.

Использование узаконенных единиц — необходимое условие обеспечения единства измерений.

Уравнения, выражающие связь между физическими величинами

Между физическими величинами существуют определенные связи и зависимости, которые могут быть выражены формулами, уравнениями. Различают два вида уравнений: уравнения связи между величинами и уравнения связи между числовыми значениями.

1. Уравнения связи между величинами (уравнения величин) — уравнения, отражающие законы природы, в которых под буквенными символами понимаются физические величины. Например, уравнение s=vt отражает зависимость длины пути, пройденного телом при равномерном движении, от скорости v тела и времени его движения; уравнение

отражает зависимость ускорения, сообщаемого телу определенной массы m, от действующей на тело силы .

Форма уравнения величин не зависит от выбора единиц, в которых могут быть выражены входящие в уравнения физические величины. В уравнениях связи между величинами под буквенными обозначениями величин подразумеваются значения величин, т. е. произведение числового значения на единицу величины.

Уравнения связи между величинами широко используются при определении производных единиц и размерностей физических величин, т. е. являются определяющими уравнениями.

2. Уравнения связи между числовыми значениями (уравнения числовых значений) — уравнения, в котором под буквенными символами понимаются числовые значения величин, соответствующие выбранным единицам.

Например, если в формуле скорости равномерного движения

скорость v выразить в километрах в час, длину пути s — в метрах, а время — в секундах, т. е.

то получим уравнение

или

Из этого уравнения, учитывая, что 1 ч = 3600 с и 1 км = 1000 м, получим следующее уравнение связи между числовыми значениями:

Таким образом, выразив скорость в километрах в час, длину пути — в метрах, время — в секундах, мы получили уравнение связи с числовым коэффициентом 3,6.

Если же, выразить скорость в узлах (1 морской узел = 0,514 444 м/с), длину пути — в милях (1 морская миля = 1852 м), а время в часах, то уравнение примет вид

что показывает правомерность выбора таких единиц в мореплавании.

Рассмотренные примеры показывают, что вид уравнения связи между числовыми значениями зависит от выбранных единиц.

Чтобы не возникло недоразумений при использовании уравнений связи между числовыми значениями, следует всегда указывать единицы, в которых выражена каждая величина, входящая в уравнение, например в виде нижнего правого индекса.

Виды и методы измерений

Для правильного понимания особенностей измерений следует привести классификацию измерений.

По способу получения измерительной информации различают

прямые измерения, при которых искомое значение величины получают непосредственно из опыта. Прямые измерения можно выполнить двумя методами: методом непосредственной оценки (измерение длины линейкой с делениями, измерение напряжения вольтметром) и методом сравнения с мерой (измерение массы на рычажных весах). Метод сравнения имеет несколько разновидностей: дифференциальный, нулевой, замещения и др.

косвенные измерения, в которых искомое значение величины вычисляется на основании известной зависимости между этой величиной и другими величинами, полученными из прямых измерений (измерение сопротивления методом амперметра-вольтметра, измерение высоты барометрическим методом). Заметим, что с точки зрения штурмана измерение высоты можно считать прямым измерением, так как он производит отсчет по указателю, отградуированному в единицах скорости.

совокупные измерения, в которых измеряют несколько одноименных (однородных) величин, причем искомые значения этих величин находят из решения системы линейных уравнений.

совместные измерения, в которых производится одновременное измерение нескольких неоднородных величин для нахождения зависимости между ними, например, зависимости температуры воздуха от высоты.

По характеру изменения измеряемой величины во времени различают:

статические измерения, когда измеряемая величина практически постоянная, например, измерения геометрических характеристик объекта, измерение напряжения аккумуляторной батареи.

динамические измерения, в которых необходимо учитывать изменение измеряемой величины во времени. Например, при измерении давления в режимах быстрого изменения высоты возникает запаздывание в передаче быстроменяющегося давления от приемника воздушного давления в измерительный преобразователь (датчик).

По объему получаемой измерительной информации различают:

однократные измерения, результатом которых является единственное значение искомой величины. Например, при одиночном бомбометании можно определить только одно значение промаха.

многократные измерения, результатом которых являются несколько значений одной и той же измеряемой величины.

Условия измерений

В процесс измерения на все элементы структурной схемы действуют различные влияющие факторы внешней среды: температура, давление, влажность, электрические и магнитные поля, напряжение питания, положение приборов, вибрации, удары и т. д.

Для того, чтобы можно было сравнивать различные средства измерений между собой, введено понятие нормальные условия измерений. Их перечень установлен в ГОСТ 22 261–94.

На самом деле средства измерений применяются в условиях, отличных от нормальных. Они называются рабочими условиями. Как правило, рабочие условия являются более жесткими, чем нормальные.

В табл. 1. приведены типичные влияющие факторы для электроизмерительных приборов.

Таблица 1 Влияющие факторы

Ключевые слова: структурная схема измерения, измерение, единицы измерения, средство измерения, классификация СИ, виды измерений.

Лекция № 3

Средства измерений

Классификация СИ. Виды СИ. Первичные преобразователи (датчики). Показывающие (отсчетные) устройства СИ.

Важнейшим термином в метрологии является средство измерения.

Средство измерения (СИ) — это техническое устройство, предназначенное для измерений и имеющее нормированные метрологические характеристики.

Подробно метрологические характеристики СИ будут рассмотрены в следующей лекции, а пока достаточно сказать, что именно эти свойства определяют качество измерений. Под нормированием понимается количественное задание номинальных значений характеристик и допускаемых отклонений от этих значений. Именно нормирование характеристик отличает СИ от других подобных технических устройств, например, мерную емкость от простого сосуда.

Классификация средств измерения

По назначению все средства измерений (СИ) можно разделить на меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, вспомогательные СИ, измерительные установки и измерительные системы. Наиболее многочисленной группой СИ являются измерительные преобразователи и приборы, которые обобщенно называются измерительные устройства (ИУ).

Меры

Мерой называется СИ, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера (значения). Различают

· однозначные меры: гиря массой 1 кг, резистор с сопротивлением 100 Ом, концевая мера длины, стандартные образцы (СО) состава или свойств веществ и материалов. Стандартный образец состава вещества (материала) имеет установленные значения величин, характеризующих содержание в нем определенных компонентов, например, СО углеродистой стали конкретной марки, авиационного топлива и т. п.

Стандартный образец свойств веществ (материалов) имеет установленные значения физических, химических, биологических и других свойств, например, набор десяти эталонных материалов для определения числа твердости по условной шкале Мооса. Каждый последующий материал является более твердым, чем предыдущий.

· многозначные меры: линейка с миллиметровыми делениями, магазин сопротивления, источник калиброванных напряжений постоянного тока;

· наборы мер: набор гирь, набор концевых мер длины.

В зависимости от точности меры подразделяют на рабочие и образцовые. Рабочие меры используются непосредственно в процессе проведения измерений, а образцовые служат для поверки других мер.

Измерительные преобразователи

Измерительным преобразователем (ИП) называется СИ, предназначенное для преобразования значения измеряемой физической величины в сигнал, удобный для передачи, обработки и хранения.

Например, анероид с индуктивным преобразователем, усилитель, АЦП. Выходной сигнал ИП не предназначен для непосредственного восприятия.

Первичные ИП непосредственно воспринимают измеряемую величину, например, термопара, анероид,

Другие ИП служат для преобразования и передачи измерительного сигнала, например, усиления, фильтрации и т. п.

Конструктивно обособленный ИП часто называют датчиком. Датчик выполняет преобразование измеряемой величины в сигнал, обычно электрический.

При этом он взаимодействует с объектом измерений, в результате чего изменяется состояние датчика.

Можно выделить следующие типы взаимодействий:

1. механическое (силовое, сжатие-растяжение);

2. электрическое;

3. магнитное;

4. электромагнитное (излучение);

5. гравитационное;

6. тепловое.

Погрешности измерений, прежде всего, определяются датчиками. Для предварительных расчетов можно считать, что если полная АПИ не должна превышать x, то погрешность датчика не должна превышать 0,3x.

Измерительные приборы

Измерительный прибор — это СИ, предназначенное для получения сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия.

Поэтому обязательной частью измерительного прибора является устройство отображения информации в виде шкал, цифровых табло, дисплеев и т. п.

Кроме показывающих приборов широко применяются регистрирующие приборы, в которых производится запись информации на подходящий носитель.

Измерительные устройства дополнительно разделяют по нескольким признакам на следующие группы:

· по используемым физическим процессам — на механические, электромеханические, электронные, оптические и т. д;

· по физической природе измеряемой величины — на вольтметры, амперметры, частотомеры, высотомеры, барометры и т. д.

· по виду измерительного сигнала — на аналоговые и цифровые. В аналоговых ИУ все сигналы могут принимать бесконечное множество значений также как и сама измеряемая величина.

· В цифровых ИУ сигналы преобразуются в дискретные, которые имеют конечное число значений. Цифровые ИУ обычно имеют более стабильные характеристики и более высокую точность измерений.

Измерительные системы и установки

Измерительная система — совокупность функционально объединенных мер, измерительных преобразователей и приборов, ЭВМ и других необходимых средств, предназначенных для комплексного решения задачи измерений.

Например, радионавигационная система для определения места летательного аппарата.

Измерительная установка — это специализированное средство измерений, предназначенное для специализированных измерений или для проведения поверки рабочих СИ.

Примером является установка для испытаний магнитных материалов и установка для поверки электронных вольтметров.

Они содержит комплекс всех необходимых устройств для проведения поверки, включая печать результатов.

Современные измерительные установки обеспечивают возможность автоматизированной работы под управлением микропроцессоров.

Измерительную установку, предназначенную для испытаний каких-либо изделий, часто называют испытательным стендом.

Вспомогательные средства измерений

К этой группе относятся СИ, влияющие на метрологические свойства основных средств измерений при их применении.

Например, для уменьшения влияния на результат измерения температуры, можно применить устройство стабилизации температуры.

Такие устройства широко применяется в авиационных приборах. Можно также регистрировать значения влияющих факторов для того, чтобы при обработке результатов измерений внести соответствующие поправки.

Отсчетные устройства измерительных приборов

Отсчетное устройство является оконечной частью СИ, по которому оператор определяет результат измерения.

Отсчетное устройство аналогового прибора представлено на рис.

Диапазон измерений

Диапазон показаний Рис. Отсчетное устройство аналогового прибора Делением шкалы называется промежуток между двумя соседними делениями шкалы. Цена деления шкалы — разность значений величины, соответствующих двум соседним делениям.

Шкалы бывают равномерными и неравномерными. На равномерной шкале деления имеют постоянную длину и постоянную цену.

Отсчет — число, определенное по отсчетному устройству.

Показание — значение измеряемой величины, выраженное в принятых единицах этой величины. Показание равно отсчету, умноженному на цену деления.

Остальные свойства шкалы понятны из рисунка.

В некоторых авиационных приборах указатель делается неподвижным, а вращается (перемещается) шкала.

Отсчетные устройства цифровых приборов состоят из цифровых знаковых индикаторов, обеспечивающих воспроизведение десятичных цифр, и алфавитных индикаторов, позволяющих указать единицу измерения.

Цифровое отсчетное устройство характеризуется числом десятичных разрядов индикатора и ценой единицы младшего разряда. Цифровое устройство эквивалентно равномерной шкале.

Цифровое отсчетное устройство никак не ограничивает точность прибора, так как цифровой код без всякой погрешности отображается на индикаторе. В то же время аналоговое отсчетное устройство имеет ограниченную точность из-за погрешностей преобразования результата измерения в перемещение указателя (стрелки), погрешностей шкалы и субъективных погрешностей оператора. Субъективные (личные) погрешности связаны с конечной толщиной указателя, разрешающей способностью глаза, параллаксом при считывании показаний, необходимостью интерполирования при положении указателя между делениями шкалы. Принято считать, что погрешность глазомерного отсчета составляет около 0,1−0,2 деления шкалы.

В результате погрешность аналоговых приборов составляет обычно не менее 0,5%, в то же время погрешность цифровых приборов удается уменьшить до 10^-6%.

Однако не всегда цифровое отсчетное устройство лучше аналогового. При большом числе одновременно измеряемых величин показания аналоговых приборов воспринимаются легче, так как независимо от цифр на шкале информацию несет само пространственное положение указателя и характер его перемещения. Поэтому во многих случаях весь прибор выполняется цифровым, отсчетное устройство визуально выполняется аналоговым.

По точности и скорости отсчета шкалы в возрастающем порядке располагаются следующим образом: прямоугольная вертикальная, прямоугольная горизонтальная, полукруглая, круглая.

Во многих авиационных приборах широко применяются многофункциональные индикаторы на электронно-лучевых трубках (ЭЛТ). Они позволяют обнаруживать сигналы целей и измерять их координаты. Например, двухкоординатные индикаторы применяются для измерения дальности и азимута, скорости и азимута, азимута и угла места. Они работают в полярной или прямоугольной системе координат. Как показывает опыт, наибольшее влияние на погрешность радиоэлектронных систем оказывают именно погрешности отсчетных устройств. Например, из-за конечного диаметра рисующего пятна d_п возникает характерная погрешность, связанная с тем, что оператор не может различить две близко расположенные цели. Эта погрешность зависит от качества фокусировки ЭЛТ где d_э — диаметр экрана.

ЭЛТ с электростатическим управлением при меньших массе и габаритах имеют худшее качество фокусировки (Q_ф=150−300), чем ЭЛТ с магнитным управлением (Q_ф=250−500). Геометрический смысл качества фокусировки состоит в том, что она показывает наибольшее количество различимых точек на экране.

ЭЛТ с прямоугольным экраном в настоящее время обычно называются дисплеями или мониторами. Для них важным параметром является размер зерна экрана. Обычные размеры зерна составляют 0,39, 0,31, 0,28, 0,26 мм и даже меньше. По размерам зерна и размерам экрана можно определить истинную разрешающую способность экрана, поскольку зерно является мельчайшей единицей изображения. Например, для экрана с диагональю 14 дюймов видимое изображение имеет размер 260 200 мм. При размерах зерна 0,28 мм разрешение по горизонтали не может быть более 260/0,28=928 точек (пикселов), а по вертикали 200/0,28=714 точек. Это значит, что такой монитор приемлем только для режима 800 600 (800 строк по 600 точек каждая), а вот для режима 1 024 768 необходим уже монитор с экраном 15.

Лекция № 4

Погрешности средств измерений

Погрешности измерений. Источники погрешностей. Метрологические свойства и характеристики средств измерений. Классы точности.

Погрешности измерений

Измерения сами по себе представляют процесс получения значения некоторой величины в форме, наиболее удобной для пользователя. Поэтому они обладают определенным качеством. Основной характеристикой качества является погрешность измерений. Знания и навыки в оценке погрешностей результатов и средств измерения позволяют правильно оценивать измерительную информацию с точки зрения ее достоверности.

Погрешность измерения — это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

Истинное значение физической величины есть идеальное отражение интересующего нас свойства объекта, например, температуры, скорости, координаты и т. п. На самом деле оно всегда остается неизвестным.

Различают два вида погрешностей: абсолютные и относительные.

Абсолютной погрешностью измерения x называется разность между измеренным x_изм и истинным x значениями измеряемой величины:

x = x_изм — x.

Относительная погрешность определяется как отношение абсолютной погрешности к истинному значению

или в процентах

Иногда удобнее использовать приведенную погрешность

или в процентах

Нормирующее значение х_норм обычно равно большему пределу измерения. Например, если верхний предел измерения высоты равен 12 км, то именно это значение и принимается за нормирующее. Иные случаи задаются стандартами на средства измерений.

Так как истинное значение измеряемой величины на самом деле неизвестно, то вместо него используется действительное значение.

Действительное значение — это такое значение физической величины, которое найдено в результате измерений, причем оно настолько приближается к истинному значению, что для решения конкретной задачи может быть использовано вместо него.

Источники погрешностей

В соответствии со структурной схемой измерения результат измерения всегда приближенно отражает истинное значение измеряемой величины. Причинами этого являются:

Методические погрешности, обусловленные несовершенством метода измерения.

Инструментальные погрешности, обусловленные несовершенством средств измерения.

Субъективные погрешности, обусловленные особенностями наблюдателя (оператора).

По характеру проявления всех перечисленных погрешностей они делятся на систематические, случайные и грубые.

Систематические погрешности постоянно или закономерно проявляются во всех наблюдениях одной и той же величины. Например, смещение нуля измерительного прибора приведет к постоянной погрешности отсчета показаний.

Случайные погрешности проявляются в незакономерном (случайном) отклонении результатов повторных измерений. Причиной этого является большое число неучтенных факторов, влияющих на процесс измерения. Например, при измерении длины одного и того же предмета с помощью разных средств, даже одного и того же типа (линеек), погрешность их градуировки приведет к случайной погрешности измерения.

Грубые погрешности проявляются в существенном отклонении результата измерения от ожидаемого значения. Физической причиной их появления чаще всего являются кратковременные скачки напряжения питающей сети, давления в трубопроводах, сбои в работе электронных устройств и т. п. Таким образом, часть грубых промахов можно объяснить аномальными условиями измерений. Субъективные причины связаны с личными особенностями оператора и могут быть вызваны его недостаточной квалификацией, невнимательностью, плохой освещенностью, утомлением и т. п.

Метрологические свойства и характеристики средств измерений

Для каждого вида СИ устанавливается определенный перечень их свойств. Он зависит от назначения и условий применения СИ. Эти свойства указываются в нормативно-технической документации (НТД) на СИ. В частности, основными свойствами СИ, определяющими их назначение, являются их метрологические свойства. Количественные значение этих свойств называются метрологическими характеристиками. Они отражают такие свойства СИ, которые оказывают влияние на результаты и погрешности измерений. Используя метрологические характеристики (МХ) можно оценить технический уровень и качество СИ, рассчитать погрешность измерения.

В НТД метрологические характеристики СИ представляются в виде чисел, формул, таблиц и графиков.

Общий перечень основных нормируемых метрологических характеристик СИ, формы их представления и способы нормирования включены в государственный стандарт. Их можно условно разделить на две группы:

МХ, определяющие область применения СИ: диапазон измерения, статическая характеристика, чувствительность и быстродействие СИ;

МХ, определяющие качество измерения: погрешность, сходимость и воспроизводимость.

Диапазон измерения — это область значений измеряемой величины, в которой нормированы допускаемые переделы погрешности. Значения величины, ограничивающие диапазон измерения снизу (слева) и сверху (справа) называются соответственно нижним и верхним пределами измерения.

Статическая характеристика СИ выражает зависимость выходного сигнала y СИ от постоянного входного сигнала x. Как и любая зависимость, она может быть представлена в аналитическом виде y = F (x), графическом виде или табличном виде. Довольно часто вместо термина статическая характеристика говорят функция преобразования. Почти всегда желательно, чтобы функция преобразования была линейной.

Чувствительностью СИ называют отношение изменения выходного сигнала? y к вызывающему его изменению входного сигнала? x:

Это определение используется при экспериментальном определении чувствительности. Если известно аналитическое выражение для статической характеристики, то чувствительность равна

Например, чувствительность мембранно-анероидной коробки примерно равна S = 0,05 мм/кПа

Наименьшее значение входной величины, которое можно обнаружить с помощью данного СИ называется порогом чувствительности. Например, порог чувствительности цифровых приборов равен цене единицы младшего разряда. Иногда более важна разрешающая способность СИ. Она показывает, какое наименьшее различимое отличие друг от друга двух величин обеспечивает данное СИ. Например, при измерении дальности до цели важно иметь возможность раздельно наблюдать две цели, расположенные близко друг от друга.

Быстродействие СИ определяет его возможности при проведении динамических измерений. Чаще всего используются две связанные характеристики быстродействия: время измерения (преобразования) и скорость измерения. Время измерения (преобразования) — это время, прошедшее от начала измерения до получения результата с нормированной погрешностью. Скорость измерения (преобразования) определяется максимальным числом измерений (преобразований), выполняемых с нормированной погрешностью в единицу времени. Например, при измерении напряжения с помощью стрелочного вольтметра время измерения (время установления показаний) составляет десятые доли секунды.

Погрешность СИ определяется пределом допускаемой погрешности (допускаемой погрешностью). Это наибольшая (без учета знака) погрешность СИ, при которой оно может быть признано годным и допущено к применению. В НТД задается предел допускаемой абсолютной погрешности (в единицах измеряемой величины) ?х_доп =a, если она не зависит от измеряемой величины х, и? х_доп = (a+bx), если она пропорциональна измеряемой величине х. Например, при измерении относительной барометрической высоты полета допускаемая погрешность составляет 100 м. При измерении высоты при помощи радиовысотомера РВ-17 погрешность измерения равна (25+0,0015H).

В большей степени качество СИ характеризует относительная погрешность. При этом пределы допускаемой относительной погрешности задаются в процентах х_доп = с. Например, при измерении напряжения стрелочным вольтметром предел относительной погрешности для разных типов приборов лежит в интервале от 0,3% до 5%.

Точность измерения может быть также выражена величиной, обратной к относительной погрешности, например, при относительной погрешности х = 0,01 (1%) точность

Классы точности

Для средств измерений часто устанавливают классы точности. Это обобщенная характеристика, включающая не только пределы допускаемых погрешностей (основной и дополнительной), но другие характеристики качества измерения. Например, часто задается вариация показаний, то есть разность между значениями входного сигнала, соответствующими одному и тому же значению выходного сигнала при двух направлениях его медленного изменения.

Обозначение классов точности осуществляется следующим образом. Если установлены пределы допустимой абсолютной погрешности. то класс точности обозначается прописными буквами латинского алфавита, причем буква, А соответствует наивысшему классу.

Класс точности СИ, для которого определены пределы относительной погрешности, обозначается числом, которое равно этому пределу, выраженному в процентах. Так класс точности 1 соответствует пределу относительной погрешности 1%. Для электроизмерительных приборов установлены следующие классы точности:

0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,5; 2,0; 2,5; 4,0.

При этом класс 2,0 используется только для счетчиков электрической энергии, для средств измерения с погрешностью более 4,0 класс точности не устанавливается.

Класс точности указывается в НТД на СИ, а обозначение класса наносится на шкале, панели или корпусе СИ.

Основная и дополнительная погрешность

В зависимости от условий применения СИ погрешности делятся на основную (при нормальных условиях) и дополнительную (при рабочих условиях). Нормальные условия работы СИ оговариваются в НТД, где перечисляются влияющие величины — температура, давление, вибрации, удары и т. п. и указываются их допустимые значения. Например, для СИ определенного типа установлены нормальные температурные условия +10…+35С. В этом диапазоне гарантируется основная погрешность СИ, указанная в паспорте. Рабочие условия связаны с отличием условий измерений от нормальных, например, авиационные СИ могут работать и в более широком диапазоне температур от —60 до + 60С. Однако при этом появляется дополнительная погрешность.

Сходимость и воспроизводимость

Кроме погрешностей качество измерения определяется их сходимостью и воспроизводимостью.

Сходимость измерений отражает близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, повторно выполненных в одинаковых условиях, одними и теми же средствами и методами. Высокая сходимость результатов измерений имеет большое значение для оценки стабильности процесса измерений.

Воспроизводимость измерений отражает близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, но в разных условиях, в разное время, в различных местах, различными методами и средствами. Воспроизводимость важна при сравнении свойств товаров и изделий по результатам измерений, проведенных в разных организациях.

Ключевые слова: погрешность измерения, виды погрешностей, причины погрешностей, виды метрологических характеристик СИ, погрешности СИ, класс точности.

Лекция № 5

Единство измерений

Первичные, вторичные и рабочие эталоны. Образцовые меры. Государственная система обеспечения единства измерений. Правовые основы обеспечения единства измерений. Основные положения закона РФ о единстве измерений.

Одной из важных задач метрологии является обеспечение единства измерений.

Единство измерений — это такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, а их метрологические характеристики соответствуют установленным нормам.

Единство измерений может быть обеспечено за счет разработки научно обоснованных методов измерений;

высокого качества средств измерений;

стандартизованных методик проведения измерений;

высокой профессиональной подготовки кадров.

Эталоны единиц физических величин

Прежде всего, чтобы обеспечить единство измерений, необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все средства измерений одной и той же физической величины. Для этого применяются средства измерений, с помощью которых установленные единицы физических величин хранятся, воспроизводятся и передаются соответствующим средствам измерений. Высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров единиц являются эталоны.

Эталон единицы — это СИ, обеспечивающее воспроизведение и хранение единицы, выполненное по особым требованиям и официально утвержденное в качестве эталона.

Эталоны делят на первичные, специальные и вторичные.

Первичный эталон обеспечивает воспроизведение и хранение единицы с наивысшей в стране точностью. Он должен воспроизводить единицу в соответствии с ее определением. Например, эталон силы тока основан на измерении силы взаимодействия двух проводников с током. Эта сила измеряется специальными токовыми весами. Эталон обеспечивает систематическую погрешность 8 мкА при случайных погрешностях в пределах 12 мкА.

Интересно отметить, что при становлении метрической системы мер в качестве единицы массы приняли массу одного кубического дециметра чистой воды при температуре ее наибольшей плотности (+4С). Изготовленный при этом первый прототип килограмма представляет собой платиноиридиевую гирю с равными диаметром и высотой (39 мм). Данное определение эталона килограмма действует до сих пор.